DE3586791T2 - INTEGRATED SEMICONDUCTOR CIRCUIT ARRANGEMENT. - Google Patents

INTEGRATED SEMICONDUCTOR CIRCUIT ARRANGEMENT.

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DE3586791T2 DE8585110960T DE3586791T DE3586791T2 DE 3586791 T2 DE3586791 T2 DE 3586791T2 DE 8585110960 T DE8585110960 T DE 8585110960T DE 3586791 T DE3586791 T DE 3586791T DE 3586791 T2 DE3586791 T2 DE 3586791T2
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Description

Diese Erfindung betrifft allgemein eine integrierte Halbleiterschaltungsanordnung (IC). Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung eine Halbleiterschaltungstechnik, die wirkungsvoll ist, wenn sie z. B. auf eine Halbleiterspeicheranordnung, die eine Substratvorspannung-Erzeugungsstufe enthält, wie einen dynamischen RAM (Random-Access-Memory = Direktzugriffsspeicher) verwendet wird.This invention relates generally to a semiconductor integrated circuit (IC) device. More particularly, the present invention relates to a semiconductor circuit technique that is effective when applied to, for example, a semiconductor memory device including a substrate bias generating stage, such as a dynamic RAM (random access memory).

Für durch MOSFETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistoren) gebildete Halbleiterspeicheranordnungen ist es im Stand der Technik bekannt, eine Substratvorspannung (in Sperrichtung gepolte Vorspannung) durch eine eingebaute Substratvorspannung-Erzeugungsstufe zu erzeugen, um die parasitäre Kapazität zwischen Schaltungselementen, wie MOSFETs und einem Halbleitersubstrat zu verringern (siehe z. B. "Nikkei Electronics", 14. Mai 1979, S. 77-79, herausgegeben von Nikkei McGraw Hill Co.). Wenn eine derartige Substratvorspannung- Erzeugungsstufe eingebaut wird, kann eine einer Halbleiterspeicheranordnung zuzuführende Versorgungsspannung einheitlich eine Spannung von 5 V sein, und die Anzahl externer Anschlüsse kann daher verringert werden.For semiconductor memory devices constituted by MOSFETs (junction field effect transistors), it is known in the art to generate a substrate bias (reverse bias) by a built-in substrate bias generating stage in order to reduce the parasitic capacitance between circuit elements such as MOSFETs and a semiconductor substrate (see, for example, "Nikkei Electronics", May 14, 1979, pp. 77-79, published by Nikkei McGraw Hill Co.). When such a substrate bias generating stage is built in, a power supply voltage to be supplied to a semiconductor memory device can be uniformly a voltage of 5 V, and the number of external terminals can therefore be reduced.

Als Ergebnis von Untersuchungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung jedoch herausgefunden, daß dann, wenn eine Schaltung zum Gleichrichten der kontinuierlich von einer Oszillatorschaltung erzeugten Impulse in diesem Fall verwendet wird, die folgende Schwierigkeit auftritt. Ein zum Substrat fließender Strom ändert sich stark zwischen dem Zugriffszustand, in dem alle Schaltkreise gleichzeitig zu arbeiten beginnen, und dem Nichtzugriffszustand, in dem kein interner Schaltkreis arbeitet. Daher wird, wenn die Substratvorspannung durch Gleichrichten dieser in keiner Beziehung zum Schaltungsbetrieb erzeugten Oszillatorimpulse erzeugt wird, das Stromversorgungsvermögen im wesentlichen für eine "Schlechtester-Fall"-Bedingung eingestellt. Dies erfordert relativ große Kondensator- und Gleichrichterelemente und eine Treiberschaltung, so daß die Integrationsdichte der integrierten Halbleiterschaltung verringert ist. Darüber hinaus wird mehr Strom gezogen. (Zu Einzelheiten der Substratvorspannung-Erzeugungsstufe siehe z. B. japanische Patentoffenlegung Nr. 13566/1980).However, as a result of investigations, the inventors of the present invention have found that when a circuit for rectifying the pulses continuously generated by an oscillator circuit is used in this case, the following problem occurs. A current flowing to the substrate changes greatly between the access state in which all the circuits start to operate simultaneously and the non-access state in which no internal circuit operates. Therefore, when the substrate bias by rectifying these oscillator pulses generated in no relation to the circuit operation, the power supply capability is essentially set for a "worst case" condition. This requires relatively large capacitor and rectifier elements and a drive circuit, so that the integration density of the semiconductor integrated circuit is reduced. In addition, more current is drawn. (For details of the substrate bias generating stage, see, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 13566/1980.)

GB-A-2 111 336 und EP-A-0 118 108, wobei die letztere gemäß Art. 54(3) EPÜ zitiert wird, offenbaren eine integrierte Halbleiterschaltung mit den im ersten Teil von Anspruch 1 dargelegten Merkmalen. In den bekannten Schaltungen wird die Substratvorspannung synchron mit dem Betrieb der in der integrierten Schaltung enthaltenen Schaltungselemente gesteuert, an die die Substratvorspannung gelegt wird.GB-A-2 111 336 and EP-A-0 118 108, the latter being cited under Article 54(3) EPC, disclose a semiconductor integrated circuit having the features set out in the first part of claim 1. In the known circuits, the substrate bias voltage is controlled in synchronism with the operation of the circuit elements included in the integrated circuit to which the substrate bias voltage is applied.

IBM Technical Disclosure Bulletin (Vol. 22, Nr. 7, Dezember 1979, S. 2765-2767) offenbart eine Pegelerfassungsschaltung (Schwellenwertdetektor) zum Erfassen des Pegels einer in Sperrichtung gepolten Vorspannung (Substratvorspannung), bei der das Ausgangssignal (VOUT) der Pegelerfassungsschaltung den Substratvorspannungsgenerator steuert, um die Substratvorspannung zu erhöhen, wenn es sich herausstellt, daß der Substratvorspannungspegel unzureichend ist.IBM Technical Disclosure Bulletin (Vol. 22, No. 7, December 1979, pp. 2765-2767) discloses a level detection circuit (threshold detector) for detecting the level of a reverse bias voltage (substrate bias voltage), in which the output signal (VOUT) of the level detection circuit controls the substrate bias voltage generator to increase the substrate bias voltage if it turns out that the substrate bias voltage level is insufficient.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Halbleiterschaltung anzugeben, in der die Substratvorspannung-Erzeugungsstufe zusätzlich dazu verwendet wird, eine Erhöhung des Leckstroms aufgrund von Temperaturänderungen zu verhindern.It is an object of the present invention to provide a semiconductor integrated circuit in which the substrate bias voltage generating stage is additionally used to prevent an increase in leakage current due to temperature changes.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.This object is achieved by the device characterized in claim 1. Invention solved.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Fig. 1 ist ein Schaltungsbild, das ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;Fig. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention;

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel der Substratsperrvorspannung-Erzeugungsstufe des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zeigt;Fig. 2 is a circuit diagram showing an example of the substrate reverse bias generating stage of the embodiment shown in Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das zum Erläutern des Betriebs der Substratsperrvorspannung-Erzeugungsstufe nützlich ist;Fig. 3 is a timing chart useful for explaining the operation of the substrate reverse bias generating stage ;

Fig. 4 ist ein Schaltbild, das ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt; undFig. 4 is a circuit diagram showing another embodiment of the present invention; and

Fig. 5 und 6 sind Schaltbilder, die jeweils ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen.Figs. 5 and 6 are circuit diagrams each showing another embodiment of the present invention.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [Ausführungsbeispiel 1][Example 1]

Fig. 1 ist ein Schaltbild, das einen dynamischen RAM gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Jedes im Schaltbild dargestellte Schaltungselement oder jeder Schaltungsblock ist auf einem Halbleitersubstrat, wie einem solchen aus einkristallinem Silizium, mit einer bisher bekannten Herstellungstechnik für integrierte Halbleiterschaltungen ausgebildet, obwohl keine besondere Beschränkung auf diese Konfiguration besteht. Verschiedene, auf dem Halbleitersubstrat ausgebildete MOSFETs sind vom Anreichungstyp (dies gilt auch für die anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung, die später beschrieben werden).Fig. 1 is a circuit diagram showing a dynamic RAM according to an embodiment of the present invention. Each circuit element or circuit block shown in the circuit diagram is formed on a semiconductor substrate such as a single crystal silicon substrate by a previously known semiconductor integrated circuit manufacturing technique, although there is no particular limitation to this configuration. Various MOSFETs formed on the semiconductor substrate are of the enhancement type (this also applies to the other embodiments of the invention, which are described later).

Ein Speicherarray MARY weist mehrere, in einer Matrix angeordnete Speicherzellen, mehrere Datenleitungen DL, DL und mehrere Wortleitungen auf. Obwohl keine besondere Begrenzung auf diese Konfiguration besteht, weist das Speicherarray MARY einen Aufbau mit gefalteter Bitleitung (Datenleitung) auf.A memory array MARY has a plurality of memory cells arranged in a matrix, a plurality of data lines DL, DL and a plurality of word lines. Although there is no particular limitation to this configuration, the memory array MARY has a folded bit line (data line) structure.

Jede der Speicherzellen MC weist einen Datenspeicherkondensator Cs, dessen eine Elektrode mit einem Bezugspunktpotential, wie einem Spannungsanschluß der Schaltung, verbunden ist, und einen Adreßauswahl-MOSFET Qm auf, der zwischen diesem Kondensator Cs und der Datenleitung angeordnet ist. Logische Werte "1" und "0", die in den Speicherzellen gespeichert sind, hängen davon ab, ob im Kondensator eine Ladung gespeichert ist.Each of the memory cells MC has a data storage capacitor Cs having one electrode connected to a reference point potential such as a voltage terminal of the circuit, and an address selection MOSFET Qm arranged between this capacitor Cs and the data line. Logical values "1" and "0" stored in the memory cells depend on whether a charge is stored in the capacitor.

Beim Datenauslesebetrieb wird jede Datenleitung DL, DL des Speicherarrays MARY zunächst durch eine Vorladestufe PC auf einen Pegel vorgeladen, der im wesentlichen dicht bei der Versorgungsspannung Vcc der Schaltung liegt. Die Vorladestufe PC weist z. B. Vorlade-MOSFETs Qt1 und Qc2 auf, die zwischen die Datenleitungen DL bzw. DL und den Spannungsanschluß Vcc geschaltet sind. Der Leitungszustand dieser Vorlade-MOSFETs Qc1 und Qc2 wird durch einen Vorladepuls Φpc gesteuert. Die Vorladeschaltung PC kann zusätzlich zu den Vorlade-MOSFETs Qc1 und Qc2 einen Entzerr-MOSFET enthalten, der zwischen das Paar Datenleitungen DL, DL geschaltet ist und vom Vorladepuls Φpc gesteuert wird.During data readout operation, each data line DL, DL of the memory array MARY is first precharged by a precharge stage PC to a level that is essentially close to the supply voltage Vcc of the circuit. The precharge stage PC has, for example, precharge MOSFETs Qt1 and Qc2 that are connected between the data lines DL and DL, respectively, and the voltage terminal Vcc. The conduction state of these precharge MOSFETs Qc1 and Qc2 is controlled by a precharge pulse φpc. The precharge circuit PC can contain, in addition to the precharge MOSFETs Qc1 and Qc2, an equalization MOSFET that is connected between the pair of data lines DL, DL and is controlled by the precharge pulse φpc.

Eine der mehreren Wortleitungen WL des Speicherarrays MARY wird ausgewählt, nachdem jede Datenleitung vorgeladen wurde. Wenn eine besondere Wortleitung ausgewählt wird, wird der MOSFET Qm der Speicherzelle, die der ausgewählten Wortleitung entspricht, eingeschaltet, und der Kondensator Cs wird mit der Datenleitung DL oder DL verbunden. Demgemäß ändert sich das Potential der Datenleitung DL oder DL, an die die Speicherzelle angeschlossen wird. Das Potential der Datenleitung DL oder DL ändert sich in diesem Fall abhängig von der im Kondensator Cs gespeicherten Ladungsmenge. Diese Potentialänderung der Datenleitung wird durch einen Leseverstärker SA festgestellt.One of the multiple word lines WL of the memory array MARY is selected after each data line is precharged. When a particular word line is selected, the MOSFET Qm of the memory cell corresponding to the selected word line is turned on, and the capacitor Cs is connected to the data line DL or DL. Accordingly, the potential of the data line DL or DL to which the memory cell is connected changes. The potential of the data line DL or DL in this case changes depending on the amount of charge stored in the capacitor Cs. This change in potential of the data line is detected by a sense amplifier SA.

In einem Speicherarray großer Kapazität wird jede Speicherzelle immer kleiner hergestellt, und eine große Anzahl an Speicherzellen wird mit den jeweiligen Datenleitungen DL, DL verbunden. Daher ist das Verhältnis Cs/C&sub0; des Kondensators Cs zur (nicht dargestellten) Streukapazität C&sub0; auf der gemeinsamen Datenleitung DL extrem klein. Dies bedeutet, daß die an die Datenleitung DL oder DL gemäß der im Kondensator Cs gespeicherten Ladung, d. h. das Signal, extrem schwach ist.In a large-capacity memory array, each memory cell is made smaller and smaller, and a large number of memory cells are connected to the respective data lines DL, DL. Therefore, the ratio Cs/C�0 of the capacitor Cs to the stray capacitance C�0 (not shown) on the common data line DL is extremely small. This means that the signal supplied to the data line DL or DL according to the charge stored in the capacitor Cs, i.e., the signal, is extremely weak.

Obwohl keine besondere Einschränkung auf die Konfiguration des Ausführungsbeispieles besteht, enthält dieses eine Blindzelle DC für jede Datenleitung auf dieselbe Weise wie bei einem bekannten dynamischen RAM, um ein solches schwaches Signal festzustellen. Die Blindzelle DC wird unter denselben Herstellbedingungen und mit denselben Aufbaukonstanten wie die Speicherzelle MC hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Kapazität des Kondensators CD der Speicherzelle DC die Hälfte derjenigen des Kondensators Cs der Speicherzelle MC ist. Vor dem Adressieren wird der Kondensator CD durch einen MOSFET Qd, der ein Zeitsteuersignal Φd erhält, auf Massepotential geladen. Da die Kapazität des Kondensators CD die Hälfte derjenigen des Kondensators Cs ist, legt der Kondensator CD eine Bezugsspannung, die im wesentlichen die Hälfte desjenigen des Auslesesignals aus der Speicherzelle MC ist, an die entsprechende Datenleitung.Although there is no particular limitation on the configuration of the embodiment, it includes a dummy cell DC for each data line in the same manner as a known dynamic RAM to detect such a weak signal. The dummy cell DC is manufactured under the same manufacturing conditions and with the same design constants as the memory cell MC, except that the capacitance of the capacitor CD of the memory cell DC is half that of the capacitor Cs of the memory cell MC. Before addressing, the capacitor CD is charged to ground potential by a MOSFET Qd which receives a timing signal φd. Since the capacitance of the capacitor CD is half that of the capacitor Cs, the capacitor CD applies a reference voltage which is substantially half that of the readout signal from the memory cell MC to the corresponding data line.

Im Schaltbild repräsentiert das Symbol SA einen Leseverstärker, der die Differenz derartiger Potentialänderungen verstärkt, wie sie durch das Adressieren innerhalb einer Leseperiode hervorgerufen werden, die durch Zeitsteuersignale (Leseverstärkersteuersignale) Φpa1, Φpa2 bestimmt wird. (Die Funktion des Leseverstärkers wird nachfolgend beschrieben). Der Eingangs- und Ausgangsknotenpunkt des Leseverstärkers sind mit einem Paar komplementärer Datenleitungen DL und DL verbunden, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Anzahlen an Speicherzellen, die mit diesen komplementären Datenleitungen DL bzw. DL verbunden sind, werden einander gleichgemacht, um die Datenerfassungsgenauigkeit zum Zeitpunkt des Datenauslesebetriebsablaufs zu verbessern.In the circuit diagram, symbol SA represents a sense amplifier which amplifies the difference of such potential changes caused by addressing within a reading period determined by timing signals (sense amplifier control signals) φpa1, φpa2. (The function of the sense amplifier will be described below). The input and output nodes of the sense amplifier are connected to a pair of complementary data lines DL and DL arranged in parallel to each other. The numbers of memory cells connected to these complementary data lines DL and DL, respectively, are made equal to each other to improve the data detection accuracy at the time of the data readout operation.

Wenn die mit einer der komplementären Datenleitungen DL, verbundenen Speicherzellen MC während des Adressierens ausgewählt werden, wird ein Paar Blindwortleitungen DWL, DWL ausgewählt, so daß die mit den anderen Datenleitungen verbundenen Blindzellen entsprechend ausgewählt werden.When the memory cells MC connected to one of the complementary data lines DL, are selected during addressing, a pair of dummy word lines DWL, DWL are selected so that the dummy cells connected to the other data lines are selected accordingly.

Der Leseverstärker SA weist ein Paar MOSFETs Q&sub1;, Q&sub2; auf, deren Gates und Drains wechselseitig miteinander verbunden sind, und er verstärkt durch diese MOSFETs ein schwaches Signal, das auf den komplentären Datenleitungen DL, DL auftritt. Der Verstärkungsablauf wird durch einen MOSFET Q&sub7; mit relativ kleinem Leitwert und einen MOSFET Q&sub8; mit relativ großem Leitwert in zwei Stufen unterteilt. Wenn der MOSFET Q&sub7; durch ein relativ schnelles Zeitsteuersignal Φpa1 leitend gemacht wird, wird der Verstärkungsbetrieb der ersten Stufe daraufhin ausgelöst, und die Verstärkung der zweiten Stufe wird zu demjenigen Zeitpunkt gestartet, zu dem die Potentialdifferenz zwischen den komplementären Datenleitungen DL, DL eine bestimmte Größe erreicht und ein Zeitsteuersignal Φpa2 erzeugt wird. Anders gesagt, wird dann, wenn der MOSFET Q&sub8; durch das Zeitsteuersignal Φpa2 leitend gemacht wird, der Verstärkungsbetrieb der zweiten Stufe daraufhin gestartet. Der zweistufige Betrieb des Leseverstärkers SA ermöglicht es, eine Verstärkung auszuführen, die frei von jedem Fehler betreffend die Potentialdifferenz zwischen den komplementären Datenleitungen DL, DL ist, um eine Verstärkung mit höherer Betriebsgeschwindigkeit zu erzielen. Als Ergebnis des Verstärkungsablaufs durch den Leseverstärker SA wird eine der Datenleitungen aus dem Paar Datenleitungen auf ein Potential gelegt, das etwas niedriger ist als die Versorgungsspannung Vcc, während die andere auf ein niedriges Potential gesetzt wird, das im wesentlichen dem Massepotential (0 V) der Schaltung entspricht.The sense amplifier SA comprises a pair of MOSFETs Q₁, Q₂ whose gates and drains are mutually connected, and amplifies a weak signal appearing on the complementary data lines DL, DL through these MOSFETs. The amplification operation is divided into two stages by a MOSFET Q₇ having a relatively small conductance and a MOSFET Q₈ having a relatively large conductance. When the MOSFET Q₇ is made conductive by a relatively fast timing signal φpa1, the amplification operation of the first stage is then initiated, and the amplification of the second stage is started at the time when the potential difference between the complementary data lines DL, DL reaches a certain value and a timing signal φpa2 is generated. In other words, when the MOSFET Q₇ is made conductive by a relatively fast timing signal φpa1, the amplification operation of the first stage is initiated, and the amplification of the second stage is started at the time when the potential difference between the complementary data lines DL, DL reaches a certain value and a timing signal φpa2 is generated. is made conductive by the timing signal φpa2, the amplification operation of the second stage is then started. The two-stage operation of the sense amplifier SA makes it possible to perform amplification free from any error concerning the potential difference between the complementary data lines DL, DL to achieve amplification at a higher operating speed. As a result of the amplification operation by the sense amplifier SA, one of the data lines of the pair of data lines is set at a potential slightly lower than the power supply voltage Vcc, while the other is set at a low potential substantially equal to the ground potential (0 V) of the circuit.

Der gespeicherte Datenwert der Datenzelle, der beim Adressieren der Zelle fast zerstört wird, wird wiederhergestellt, wenn das Potential hohen oder niedrigen Pegels, wie es durch diesen Leseablauf erhalten wird, als solches der Speicherzelle MC zugeführt wird. Anders gesagt, wird ein gespeicherter Datenwert, der zeitweilig ausgelesen wurde, noch einmal in die Speicherzelle eingeschrieben.The stored data of the data cell, which is almost destroyed when the cell is addressed, is restored when the high or low level potential obtained by this reading operation is supplied as such to the memory cell MC. In other words, a stored data which has been temporarily read out is once again written into the memory cell.

Eine aktive Wiederherstellschaltung AR ist zwischen den komplementären Datenleitungen DL und DL angeordnet, um das in die Speicherzelle MC eingeschriebene Potential hohen Pegels auf einen Pegel anzuheben, der im wesentlichen der Versorgungsspannung Vcc der Schaltung gleich ist. Diese aktive Wiederherstellschaltung AR weist die Funktion des wahlweisen Anhebens nur des Signals hohen Pegels auf die Versorgungsspannung Vcc auf und beeinflußt das Signal niedrigen Pegels in keiner Weise. Eine detaillierte Erläuterung des genauen Schaltungsaufbaus dieser aktiven Wiederherstellschaltung AR wird hier weggelassen, da dies nicht direkt für das Wesentliche der vorliegenden Erfindung von Bedeutung ist.An active restore circuit AR is arranged between the complementary data lines DL and DL to raise the high-level potential written in the memory cell MC to a level substantially equal to the power supply voltage Vcc of the circuit. This active restore circuit AR has the function of selectively raising only the high-level signal to the power supply voltage Vcc and does not affect the low-level signal in any way. A detailed explanation of the exact circuit structure of this active restore circuit AR is omitted here since it is not directly relevant to the essence of the present invention.

Ein Spaltenschalter CW mit MOSFETs Q&sub3; und Q&sub4; ist zwischen das Paar Datenleitungen DL, DL und das Paar gemeinsamer, komplementärer Datenleitungen CDL, CDL geschaltet. Auf ähnliche Weise ist ein anderer Spaltenschalter CW mit ähnlichen MOSFETs Q&sub5; und Q&sub6; zwischen das andere Datenleitungspaar und das Paar der gemeinsamen, komplementären Datenleitungen CDL, CDL eingefügt. Die Eingangsanschlüsse eines Datenausgangspuffers DOB mit einem Ausgangsverstärker und der Ausgangsanschluß eines Dateneingangspuffers DIB sind mit dem Paar gemeinsamer, komplementärer Datenleitungen CDL, CDL verbunden.A column switch CW with MOSFETs Q₃ and Q₄ is connected between the pair of data lines DL, DL and the pair of common, complementary data lines CDL, CDL. Similarly, another column switch CW with similar MOSFETs Q₅ and Q₆ is inserted between the other pair of data lines and the pair of common, complementary data lines CDL, CDL. The input terminals of a data output buffer DOB with an output amplifier and the output terminal of a data input buffer DIB are connected to the pair of common, complementary data lines CDL, CDL.

Ein Zeilendecoder R-DCR und ein Spaltendecoder C-DCR empfangen interne, komplementäre Adreßsignale, die von Adreßpuffern R-ADB und C-ADB erzeugt werden, und sie erzeugen ein Auswahlsignal zum Auswählen einer Wortleitung und einer Blindwortleitung, wie auch ein Spaltenschaltauswahlsignal, das an die Spaltenschalter zu legen ist. Auf diese Weise wird das Adressieren der Speicherzellen und der Blindzellen bewirkt.A row decoder R-DCR and a column decoder C-DCR receive internal complementary address signals generated from address buffers R-ADB and C-ADB, and generate a select signal for selecting a word line and a dummy word line, as well as a column switch select signal to be applied to the column switches. In this way, addressing of the memory cells and the dummy cells is effected.

Die Betriebsabläufe der Adreßpuffer R-ADB und C-ADB werden durch Zeitsteuersignale Φar bzw. Φac gesteuert, und die Betriebsabläufe des Zeilendecoders R-DCR und des Spaltendecoders C-DCR werden durch Zeitsteuersignale Φx bzw. Φy gesteuert. Anders gesagt, werden externe Adreßsignale AX&sub0;-AXi synchron mit dem auf Grundlage eines Zeilenadreßabtastsignals RAS gebildeten Zeitsteuersignal Φar in den Zeilenadreßpuffer R-ADB eingeschrieben, und die vom Adreßpuffer R-ADB erzeugten internen Adreßsignale werden an den Zeilendecoder R-DCR übertragen. Der Adreßdecoder R-DCR decodiert das vom Zeilenadreßpuffer ADB zugeführte interne Adreßsignal und legt eine Wortleitung und eine Blindwortleitung abhängig von einem Wortleitungszugriff-Zeitsteuersignal Φx auf einen Auswahlpegel.The operations of the address buffers R-ADB and C-ADB are controlled by timing signals Φar and Φac, respectively, and the operations of the row decoder R-DCR and the column decoder C-DCR are controlled by timing signals Φx and Φy, respectively. In other words, external address signals AX0-AXi are written into the row address buffer R-ADB in synchronism with the timing signal Φar formed based on a row address strobe signal RAS, and the internal address signals generated by the address buffer R-ADB are transmitted to the row decoder R-DCR. The address decoder R-DCR decodes the internal address signal supplied from the row address buffer ADB and sets a word line and a dummy word line to a selection level depending on a word line access timing signal φx.

Externe Adreßsignale AYo-AYl werden synchron mit dem auf Grundlage des Spaltenadreßabtastsignals CAAS gebildeten Zeitsteuersignal Φac in den Spaltenadreßpuffer G-ADB eingelesen und an den Spaltendecoder C-DCR übertragen. Der Spaltendecoder C-DCR erzeugt ein Spaltenauswahlsignal zum Auswählen einer vorgegebenen Datenleitung mit einer von einem Datenleitungsauswahl-Zeitsteuersignal Φy abhängigen Zeitsteuerung.External address signals AYo-AYl are read into the column address buffer G-ADB in synchronism with the timing signal Φac formed based on the column address strobe signal CAAS and are transferred to the column decoder C-DCR. The column decoder C-DCR generates a column selection signal for selecting a predetermined data line at a timing dependent on a data line selection timing signal Φy.

Eine Zeitsteuerschaltung TC empfängt das Zeilenadreßabtastsignal RAS, das Spaltenadreßabtastsignal CAS und ein Schreibfreigabesignal WE, die von externen Anschlüssen zugeführt werden, und sie erzeugt verschiedene für den Speicherbetrieb erforderliche Zeitsteuersignale neben den oben als typische Beispiele beschriebenen Zeitsteuersignalen.A timing control circuit TC receives the row address strobe signal RAS, the column address strobe signal CAS and a write enable signal WE supplied from external terminals, and generates various timing control signals required for the memory operation in addition to the timing control signals described above as typical examples.

Der Adreßpuffer, der Adreßdecoder und der Datenausgangspuffer DOB des Spaltensystems weisen statische CMOS(komplementärer MOS)-Schaltungen auf, obwohl keine besondere Einschränkung auf diese Konfiguration besteht, um für niedrigeren Stromverbrauch des Bauteils zu sorgen und um kontinuierlichen Auslesebetrieb dadurch auszuführen, daß die Wortleitungen in den Zugriffszustand gebracht werden und die Spaltenadreßsignale umgeschaltet werden.The address buffer, address decoder and data output buffer DOB of the column system comprise static CMOS (complementary MOS) circuits, although there is no particular limitation to this configuration, in order to provide lower power consumption of the device and to perform continuous readout operation by bringing the word lines into the access state and switching the column address signals.

Eine Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G wird durch eine positive Versorgungsspannung von z. B. 5 V betrieben, wie sie zwischen dem Spannungsanschluß Vcc als einem der externen Anschlüsse der integrierten Schaltung und einem Bezugspotentialanschluß (oder Masseanschluß) GND vorliegt, und sie erzeugt eine negative Vorspannung.A substrate bias generating circuit Vbb-G is operated by a positive supply voltage of, for example, 5 V, applied between the power terminal Vcc as one of the external terminals of the integrated circuit and a reference potential terminal (or ground terminal) GND, and generates a negative bias voltage.

Die von der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G erzeugte Vorspannung wird Halbleiterbereichen zugefügt, die als gemeinsames Substratgate eines MOSFET Qm im Speicherbereich und MOSFETs wirken, die die in der Zeichnung dargestellten Schaltungsblöcke bilden.The bias voltage generated by the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G is applied to semiconductor regions that act as a common substrate gate of a MOSFET Qm in the memory area and MOSFETs that form the circuit blocks shown in the drawing.

Die integrierte CMOS-Schaltung dieses Ausführungsbeispiels ist auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet, das aus einkristallinem p-Silizium besteht, jedoch besteht keine besondere Beschränkung auf diese Konfiguration.The CMOS integrated circuit of this embodiment is formed on a semiconductor substrate made of p-type single crystal silicon, but there is no particular limitation to this configuration.

Obwohl keine besondere Beschränkung auf die folgende Konfiguration besteht, weist ein n-Kanal-MOSFET, wie der MOSFET Qm im Speicherarray MARY einen n-Sourcebereich und einen n-Drainbereich auf, die beide an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet sind, und eine Gateelektrode, die an der Oberfläche des Halbleitersubstrats zwischen dem Sourcebereich und dem Drainbereich über einen dünnen Gateisolierfilm ausgebildet ist, und enthält Polysilizium. Ein p-MOSFET ist in einem n-Wannenbereich ausgebildet, der an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist. So bildet das Halbleitersubstrat ein gemeinsames Substratgate für mehrere in ihm ausgebildete n-Kanal-MOSFETs. Der n-Wannenbereich bildet das Substratgate des in ihm ausgebildeten p-Kanal-MOSFET. Das Substratgate des p-Kanal-MOSFET, d. h. der n-Wannenbereich, ist mit dem Spannungsanschluß Vcc von Fig. 1 verbunden.Although there is no particular limitation to the following configuration, an n-channel MOSFET such as the MOSFET Qm in the memory array MARY has an n-source region and an n-drain region both formed on the surface of the semiconductor substrate, and a gate electrode formed on the surface of the semiconductor substrate between the source region and the drain region via a thin gate insulating film, and contains polysilicon. A p-MOSFET is formed in an n-well region formed on the surface of the semiconductor substrate. Thus, the semiconductor substrate forms a common substrate gate for a plurality of n-channel MOSFETs formed therein. The n-well region forms the substrate gate of the p-channel MOSFET formed therein. The substrate gate of the p-channel MOSFET, i.e., the n-well region is connected to the voltage terminal Vcc of Fig. 1.

Auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats sind die Oberflächenbereiche außer denjenigen, die als aktive Bereiche dienen, d. h. die Oberflächenbereiche außer denjenigen, an denen MOSFETs, MOS-Kondensatoren und Halbleiterverdrahtungsbereiche auszubilden sind, mit einem relativ dicken Feldisolierfilm bedeckt, obwohl der Film in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die erforderliche Verdrahtungsschicht erstreckt sich auf den Feldisolierfilm oder erstreckt sich über einen Isolierfilm auf die aktiven Bereiche.On the main surface of the semiconductor substrate, the surface areas other than those serving as active areas, that is, the surface areas other than those where MOSFETs, MOS capacitors and semiconductor wiring areas are to be formed are covered with a relatively thick field insulating film, although the film is not shown in the drawing. The required wiring layer extends on the field insulating film or extends to the active areas via an insulating film.

Mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die von der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G erzeugte Sperrvorspannung -Vbb dem gemeinsamen Substratgate der n-Kanal-MOSFETs zugeführt, die an der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet sind.With the In the structure described above, the reverse bias voltage -Vbb generated by the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G is supplied to the common substrate gate of the n-channel MOSFETs formed on the surface of the semiconductor substrate.

Die Sperrvorspannung verringert die Übergangskapazität, die durch den pn-Übergang zwischen den Source-Drain-Bereichen der n-Kanal-MOSFETs und dem Halbleitersubstrat und durch den pn-Übergang zwischen den Halbleiterverdrahtungsbereichen und dem Halbleitersubstrat gebildet wird. Da dadurch die parasitäre Kapazität verringert wird, die die Betriebsgeschwindigkeit beschränkt, kann die integrierte Schaltung mit höherer Geschwindigkeit arbeiten.The reverse bias reduces the junction capacitance formed by the pn junction between the source-drain regions of the n-channel MOSFETs and the semiconductor substrate and by the pn junction between the semiconductor wiring regions and the semiconductor substrate. Since this reduces the parasitic capacitance that limits the operating speed, the integrated circuit can operate at a higher speed.

MOSFETs, wie die Adreßauswahl-MOSFETs Qm, erzeugen manchmal selbst dann, wenn sie abgeschaltet sind, einen Schwanzstrom oder Leckstrom. Die Schwellenspannung des MOSFET wird durch den Substratvorspannungseffekt geeignet erhöht, wenn die Sperrvorspannung -Vbb angelegt wird, so daß der Leckstrom abnimmt. Da der Leckstrom des Adreßauswahl-MOSFET Qm verringert wird, wird die Stehzeit der im Datenspeicherkondensator Cs gespeicherten Ladung relativ verlängert.MOSFETs such as the address select MOSFETs Qm sometimes generate a tail current or leakage current even when they are turned off. The threshold voltage of the MOSFET is appropriately increased by the substrate bias effect when the reverse bias voltage -Vbb is applied, so that the leakage current decreases. Since the leakage current of the address select MOSFET Qm is reduced, the standing time of the charge stored in the data storage capacitor Cs is relatively prolonged.

Eine Struktur einer integrierten Schaltung, die aus einem Feldisolierfilm und einer Verdrahtungsschicht, wie einer sich auf dem Feldisolierfilm erstreckenden Signalverdrahtungsschicht besteht, kann so angesehen werden, daß sie einen Teil der parasitären MOSFET-Struktur bildet. Die Sperrvorspannung -Vbb erhöht die Schwellenspannung des parasitären MOSFET und verhindert den Betrieb des parasitären MOSFET.An integrated circuit structure consisting of a field insulating film and a wiring layer such as a signal wiring layer extending on the field insulating film can be considered to form part of the parasitic MOSFET structure. The reverse bias voltage -Vbb increases the threshold voltage of the parasitic MOSFET and prevents the operation of the parasitic MOSFET.

Wie es im Stand der Technik wohlbekannt ist, nimmt das Ausmaß der Zunahme der Schwellenspannung des MOSFET aufgrund des Substratvorspannungseffekts mit höherer Substratvorspannung ab. Daher bleibt die Schwellenspannung jedes n-Kanal- MOSFET innerhalb einem relativ engen Bereich, wenn die Sperrvorspannung -Vbb erzeugt wird, unabhängig von Schwankungen der Charakteristiken der MOSFETs, wie sie aus Schwankungen herrühren, die während der Herstellung der integrierten Schaltung entstehen.As is well known in the art, the extent of the increase in the threshold voltage of the MOSFET due to of the substrate bias effect decreases with higher substrate bias. Therefore, the threshold voltage of each n-channel MOSFET remains within a relatively narrow range when the reverse bias voltage -Vbb is generated, regardless of variations in the characteristics of the MOSFETs resulting from variations arising during the fabrication of the integrated circuit.

Wie es aus der späteren Beschreibung noch deutlicher wird, erzeugt die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G die Vorspannung aufgrund eines Ladungspumpbetriebs unter Verwendung des Kondensators periodisch. Die Sperrvorspannung wird durch die parasitäre Kapazität und die Streukapazität geglättet, die zwischen dem Halbleitersubstrat, an das sie gelegt wird, und der Spannungsquellenverdrahtungsschicht, den Halbleiterbereichen und dergleichen besteht.As will become clearer from the later description, the substrate bias generating circuit Vbb-G periodically generates the bias due to a charge pumping operation using the capacitor. The reverse bias is smoothed by the parasitic capacitance and the stray capacitance existing between the semiconductor substrate to which it is applied and the power source wiring layer, the semiconductor regions and the like.

Die Sperrvorspannung, die im wesentlichen durch die Kapazität aufrechterhalten wird, wird durch einen Leckstrom erniedrigt, der zwischen dem Source-Drain-Bereich eines MOSFET und dem Halbleitersubstrat auftritt.The reverse bias voltage, which is essentially maintained by the capacitance, is lowered by a leakage current that occurs between the source-drain region of a MOSFET and the semiconductor substrate.

Hierbei ist der Leckstrom für das Halbleitersubstrat nicht immer konstant, sondern er wird vom Schaltungsbetrieb beeinflußt. Dieser Leckstrom ist relativ klein, solange der Schaltzustand eines MOSFET unverändert bleibt und fixiert oder stationär gehalten wird. Umgekehrt wird, wenn sich der Schaltzustand eines MOSFET ändert, der Leckstrom durch diese Änderung erhöht. Für Details betreffend den Mechanismus des Auftretens des Leckstroms zum Substrat wird auf "Physics of Semiconductor Devices", Seiten 480-487 von S. M. Sze, verlegt von John Wiley & Sons, 1981, verwiesen.Here, the leakage current to the semiconductor substrate is not always constant, but is affected by the circuit operation. This leakage current is relatively small as long as the switching state of a MOSFET remains unchanged and is fixed or kept stationary. Conversely, when the switching state of a MOSFET changes, the leakage current is increased by this change. For details regarding the mechanism of occurrence of the leakage current to the substrate, refer to "Physics of Semiconductor Devices", pages 480-487 by S. M. Sze, published by John Wiley & Sons, 1981.

In dem in Fig. 1 dargestellten dynamischen RAM nimmt der Substratleckstrom zu, wenn die Zeitsteuerschaltung TC, die Adreßpuffer, die Decoder, der Leseverstärker und dergleichen auf Grundlage des Zeilenadreßabtastsignals RAS des Spaltenadreßabtastsignals CAS und dergleichen arbeiten.In the dynamic RAM shown in Fig. 1, the substrate leakage current increases when the timing control circuit TC, the Address buffers, decoders, sense amplifiers and the like operate based on the row address strobe signal RAS, the column address strobe signal CAS and the like.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G eine relativ große Treiberkapazität auf, so daß sie das Substratvorspannungspotential selbst dann auf einem geeigneten Wert halten kann, wenn der Substratvorspannungsstrom zunimmt. Die Schaltung Vbb-G ist auch so ausgebildet, daß sie niedrigere Leistungsverbrauchseigenschaften aufweist.According to this embodiment, the substrate bias generating circuit Vbb-G has a relatively large driving capacity so that it can maintain the substrate bias potential at an appropriate value even if the substrate bias current increases. The circuit Vbb-G is also designed to have lower power consumption characteristics.

Obwohl keine besondere Beschränkung auf die folgende Konfiguration besteht, weist die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G dieses Ausführungsbeispiels einen Schaltungsteil auf, der Stationärbetrieb entfaltet, und einen Schaltungsteil, der intermittierenden Betrieb entfaltet, hinsichtlich der Treiberkapazität und des Leistungsverbrauchs. Der Stationärbetrieb entfaltende Schaltungsteil ist mit einer solchen Treiberkapazität versehen, daß er dann, wenn sich jede in Fig. 1 dargestellte Schaltung im wesentlichen im nichtarbeitenden Betrieb befindet, die Sperrvorspannung -Vbb auf einen gewünschten Wert halten kann.Although not particularly limited to the following configuration, the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G of this embodiment has a circuit portion exhibiting steady-state operation and a circuit portion exhibiting intermittent operation in terms of the driving capacity and the power consumption. The circuit portion exhibiting steady-state operation is provided with such a driving capacity that, when each circuit shown in Fig. 1 is substantially in the non-operating mode, it can maintain the reverse bias voltage -Vbb at a desired value.

Der den den intermittierenden Betrieb entfaltende Schaltungsteil ist mit einer relativ großen Treiberkapazität versehen, so daß die Sperrvorspannung selbst dann auf gewünschten Werten gehalten werden kann, wenn der Substratleckstrom zunimmt.The circuit part that implements the intermittent operation is provided with a relatively large driver capacitance so that the reverse bias voltage can be maintained at desired values even if the substrate leakage current increases.

Eine Pegeldetektorschaltung VLD, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist vorhanden, um den Betrieb des den intermittierenden Betrieb entfaltenden Schaltungsteils zu steuern. Die Pegeldetektorschaltung VLD erfaßt die Sperrvorspannung Vbb und erzeugt ein Signal zum Betreiben des Schaltungsteils mit intermittierendem Betrieb, wenn die Sperrvorspannung niedriger ist als ein gewünschter Pegel.A level detector circuit VLD, as shown in Fig. 1, is provided to control the operation of the circuit part exhibiting the intermittent operation. The level detector circuit VLD detects the reverse bias voltage Vbb and generates a signal for operating the circuit part with intermittent operation when the reverse bias voltage is lower than a desired level.

Obwohl keine besondere Einschränkung für die folgende Konfiguration besteht, wird der Betrieb des intermittierenden Betrieb entfaltenden Schaltungsteils in der Substratvorspannungserzeugungsschaltung bei diesem Ausführungsbeispiel auch durch ein relativ schnelles Zeilensystemsteuersignal RAS&sub1; erzeugt, das von der Zeitsteuerschaltung TC auf Grundlage des externen Steuersignals RAS erzeugt wird.Although there is no particular limitation on the following configuration, the operation of the intermittent operation developing circuit part in the substrate bias generating circuit in this embodiment is also controlled by a relatively high-speed row system control signal RAS1 generated by the timing control circuit TC based on the external control signal RAS.

Dieser Aufbau ermöglicht es, die folgenden Schaltungsbetriebsabläufe zu erhalten.This structure makes it possible to obtain the following circuit operations.

Wenn der Zugriff des dynamischen RAM bei diesem Ausführungsbeispiel durch das Zeilenadreßabtastsignal RAS gestartet wird, beginnen die in der Zeichnung dargestellten Schaltungen daraufhin zu arbeiten, und daher nimmt der Substratleckstrom zu. Der Pegel der Sperrvorspannung -Vbb wird mit zunehmendem Substratleckstrom kleiner. In diesem Fall wird die Sperrvorspannung auf solche Weise eingestellt, daß sie wieder den gewünschten Pegel einnimmt, was durch einen Rückkopplungspfad erfolgt, der aus der Pegeldetektorschaltung VLD und dem den intermittierenden Betrieb entfaltenden Schaltungsteil besteht, was selbst dann erfolgt, wenn die Betriebssteuerung der Substratvorspannungserzeugungsschaltung durch das Steuersignal RAS&sub1; nicht vorhanden ist. In diesem Fall wird jedoch die Zeitspanne, die erforderlich ist, bis die Sperrvorspannung auf den gewünschten Pegel zurückkehrt, etwas lang und hängt von der Geschwindigkeitsänderung des Ausgangssignals des den intermittierenden Betrieb aufweisenden Schaltungsteils ab.When the access of the dynamic RAM in this embodiment is started by the row address strobe signal RAS, the circuits shown in the drawing start to operate in response, and therefore the substrate leakage current increases. The level of the reverse bias voltage -Vbb becomes smaller as the substrate leakage current increases. In this case, the reverse bias voltage is adjusted in such a way that it returns to the desired level through a feedback path consisting of the level detector circuit VLD and the circuit part exhibiting the intermittent operation, which is done even when the operation control of the substrate bias voltage generating circuit by the control signal RAS1 is not present. In this case, however, the time required until the reverse bias voltage returns to the desired level becomes somewhat long and depends on the speed change of the output signal of the circuit part exhibiting the intermittent operation.

Wenn umgekehrt das Steuersignal RAS&sub1;, d. h. ein Steuersignal, das unter den von der Zeitsteuerschaltung TC erzeugten Zeilensystemsteuersignalen einen schnelleren zeitlichen Ablauf aufweist, bei diesem Ausführungsbeispiel verwendet wird, kann der Betrieb des intermittierenden Betrieb aufweisenden Schaltungsteils zu einem Zeitpunkt gestartet werden, der im wesentlichen mit dem Zeitpunkt übereinstimmt, zu dem der Substratleckstrom drastisch erhöht wird. Im Ergebnis kann eine drastische Pegeländerung der Sperrvorspannung verhindert werden.Conversely, when the control signal RAS₁, ie a control signal which is under the conditions generated by the timing control circuit TC, Row system control signals having a faster timing is used in this embodiment, the operation of the circuit part having an intermittent operation can be started at a timing substantially coincident with the timing at which the substrate leakage current is drastically increased. As a result, a drastic level change of the reverse bias voltage can be prevented.

Wenn der intermittierenden Betrieb aufweisende Schaltungsteil der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G durch ein Steuersignal, wie das Steuersignal RAS&sub1; gesteuert wird, kann die Pegelerfassungsschaltung VLD weggelassen werden. Jedoch muß in diesem Fall das Folgende berücksichtigt werden.When the intermittent operation circuit part of the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G is controlled by a control signal such as the control signal RAS1, the level detection circuit VLD may be omitted. However, in this case, the following must be taken into account.

Es wird bevorzugt, daß sich die Sperrvorspannung von 0 Volt aus innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne nach dem Einschalten der Spannungsquelle auf den gewünschten Pegel ändern kann. Um die Erzeugung der Sperrvorspannung beim Einschalten der Spannungsquelle zu beschleunigen, ist es erforderlich, daß auch der den intermittierenden Betrieb aufweisende Schaltungsteil in der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G betrieben wird. Zu diesem Zweck muß das Zeilenadreßabtastsignal zum Ausführen des Blindbetriebszyklus dem externen Anschluß RAS zur selben Zeit zugeführt werden, zu der die Spannung eingeschaltet wird.It is preferable that the reverse bias voltage can change from 0 volts to the desired level within a relatively short period of time after the power source is turned on. In order to speed up the generation of the reverse bias voltage when the power source is turned on, it is necessary that the circuit part having the intermittent operation in the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G is also operated. For this purpose, the row address strobe signal for carrying out the dummy operation cycle must be supplied to the external terminal RAS at the same time that the power is turned on.

Wenn das Erfassungsausgangssignal der Pegelerfassungsschaltung VLD verwendet wird, wird der den intermittierenden Betrieb entfaltende Schaltungsteil durch das Erfassungsausgangssignal sofort in Betrieb gesetzt, so daß die Sperrvorspannung innerhalb einer relativ kurzen Zeitspanne nach dem Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsquelle auf den vorgegebenen Pegel verändert wird, unabhängig davon, ob dem externen Anschluß RAS ein Signal zugeführt wird.When the detection output of the level detection circuit VLD is used, the circuit part exhibiting the intermittent operation is immediately operated by the detection output so that the reverse bias voltage is changed to the predetermined level within a relatively short period of time after the time of turning on the power source, regardless of whether a signal is supplied to the external terminal RAS.

Wenn das Ausgangssignal der Pegelerfassungsschaltung VLD nicht verwendet wird, könnte der Pegel der Sperrvorspannung wegen der Zunahme des Substratleckstroms, der von einem Anstieg der Betriebstemperatur der integrierten Schaltung herrührt, unerwünscht verringert sein.If the output signal of the level detection circuit VLD is not used, the level of the reverse bias voltage may be undesirably reduced due to the increase in the substrate leakage current resulting from an increase in the operating temperature of the integrated circuit.

Fig. 2 ist ein Schaltbild, das ein Beispiel für die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G zusammen mit dem der oben beschriebenen Pegelerfassungsschaltung VLD zeigt. In diesem Schaltbild sind diejenigen MOSFETs, die mit geraden Linien zwischen ihren Sources und Drains versehen sind, vom p-Kanal-Typ, während diejenigen MOSFETs, die mit den üblichen Symbolen dargestellt sind, vom n-Kanal-Typ sind.Fig. 2 is a circuit diagram showing an example of the substrate bias generating circuit Vbb-G together with that of the above-described level detecting circuit VLD. In this circuit diagram, those MOSFETs provided with straight lines between their sources and drains are of the p-channel type, while those MOSFETs shown with the usual symbols are of the n-channel type.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Arten von Substratsperrspannung-Erzeugungsschaltungen vorhanden, nämlich eine Substratvorspannungs-Erzeugungsschaltung Vbb-G1, die den Schaltungsteil mit Stationärbetrieb bildet, und eine Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G2, die den Schaltungsteil mit intermittierendem Betrieb bildet. Die Sperrvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G1 für Stationärbetrieb weist eine Oszillatorstufe OSC2, CMOS-Inverterstufen IV4, IV5 für Signalformung und zum Verstärken des Ausgangssignals der Oszillatorstufe und eine Gleichrichterstufe auf.In this embodiment, there are two types of substrate reverse bias generating circuits, namely, a substrate bias generating circuit Vbb-G1 which forms the circuit part with steady-state operation, and a substrate bias generating circuit Vbb-G2 which forms the circuit part with intermittent operation. The stationary reverse bias generating circuit Vbb-G1 has an oscillator stage OSC2, CMOS inverter stages IV4, IV5 for signal shaping and for amplifying the output signal of the oscillator stage, and a rectifier stage.

Die Oszillatorstufe OSC2 weist z. B. einen Ringoszillator auf, der mit der Versorgungsspannung Vcc betrieben wird und mehrere CMOS-Interstufen aufweist, die ringförmig miteinander verbunden sind.The oscillator stage OSC2, for example, has a ring oscillator that is operated with the supply voltage Vcc and has several CMOS interstages that are connected to one another in a ring shape.

Die Gleichrichterstufe weist einen Ladungspumpkondensator C2 und MOSFETs Q&sub2;&sub0;, Q&sub2;&sub1; auf, deren Gateelektroden mit ihren Drainelektroden (die entweder als Drainelektroden oder als Sourceelektroden arbeiten, abhängig von der Polarität der an sie gelegten Spannung, die jedoch hier als Drainelektroden bezeichnet werden) verbunden sind, so daß die Transistoren als Gleichrichterelemente arbeiten. Obwohl keine besondere Beschränkung auf die folgende Konfiguration besteht, weist der Kondensator C2 eine MOS-Kondensatorstruktur auf, die ähnlich zur Struktur des n-Kanal-MOSFET ist. Anders gesagt, ist eine der Elektroden des Kondensators, die der Gateelektrode des MOSFET entsprechen soll, mit dem Ausgangsanschluß der CMOS-Inverterstufe IV&sub5; als Ausgangspuffer verbunden. Die andere der Elektroden des Kondensators C&sub2;, d. h. die Elektrode, die der Source- oder Drainelektrode des MOSFET entsprechen sollte, ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den MOSFETs Q&sub2;&sub0; und Q&sub2;&sub1; verbunden.The rectifier stage comprises a charge pump capacitor C2 and MOSFETs Q₂�0, Q₂₁ whose gate electrodes are connected to their drain electrodes (which operate either as drain electrodes or as source electrodes, depending on the polarity of the voltage applied to them, but referred to herein as drain electrodes) so that the transistors operate as rectifying elements. Although there is no particular limitation to the following configuration, the capacitor C2 has a MOS capacitor structure similar to the structure of the n-channel MOSFET. In other words, one of the electrodes of the capacitor, which should correspond to the gate electrode of the MOSFET, is connected to the output terminal of the CMOS inverter stage IV₅ as an output buffer. The other of the electrodes of the capacitor C₂, that is, the electrode which should correspond to the source or drain electrode of the MOSFET, is connected to the common connection point between the MOSFETs Q₂₀ and Q₂₁.

Der MOSFET Q&sub2;&sub0;, der als Gleichrichterelement wirkt, ist zwischen die andere Elektrode des Kondensators C&sub2;&sub0; und den Massepunkt GND der Schaltung geschaltet, und der MOSFET Q&sub2;&sub1; ist zwischen der anderen Elektrode des Kondensators C&sub2; und dem Halbleitersubstrat angeordnet.The MOSFET Q₂�0 acting as a rectifying element is connected between the other electrode of the capacitor C₂�0 and the ground point GND of the circuit, and the MOSFET Q₂₁ is arranged between the other electrode of the capacitor C₂ and the semiconductor substrate.

Eine (nicht dargestellte) parasitäre Kapazität Csb, die im wesentlichen die Sperrvorspannung aufrechterhält, ist zwischen dem Substrat und dem Massepunkt der Schaltung vorhanden.A parasitic capacitance Csb (not shown), which essentially maintains the reverse bias, is present between the substrate and the ground point of the circuit.

Der MOSFET Q&sub2;&sub0; in Diodenschaltung wird eingeschaltet, wenn der von der Inverterstufe IV5 erzeugte Oszillator im Puls auf hohem Pegel ist (im wesentlichen dem Pegel der Versorgungsspannung Vcc), und der Kondensator C&sub2; wird durch den ausgegebenen hohen Pegel vorgeladen. Nachfolgend, wenn der Ausgangsimpuls auf niedrigem Pegel ist (im wesentlichen auf dem Pegel des Massepotentials der Schaltung), befindet sich die andere Elektrode des Kondensators C&sub2; auf einem negativen Potential mit dem Wert - (Vcc-Vth). Hierbei repräsentiert das Symbol Vth die Schwellenspannung des MOSFET Q&sub2;&sub0;. Der MOSFET Q&sub2;&sub1; in Diodenschaltung wird durch dieses negative Potential eingeschaltet und überträgt das negative Potential an die oben beschriebene parasitäre Kapazität Csb. Daher wird die Substratvorspannung -Vbb an das Substrat gelegt. Die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G1 für Stationärbetrieb weist eine relativ kleine Stromversorgungskapazität auf, so daß sie dann, wenn der oben beschriebene RAM im Nicht-Chipauswahl-Zustand ist, den durch das Substrat fließende Leckstrom kompensieren kann.The diode-connected MOSFET Q₂₀ is turned on when the oscillator generated by the inverter stage IV5 is at a high level in the pulse (essentially at the level of the supply voltage Vcc), and the capacitor C₂ is precharged by the output high level. Subsequently, when the output pulse is at a low level (essentially at the level of the ground potential of the circuit), the other electrode of the capacitor C₂ is at a negative potential with the value - (Vcc-Vth). Here, the symbol Vth represents the threshold voltage of the MOSFET Q₂₀. The MOSFET Q₂₁ in diode connection is turned on by this negative potential and transfers the negative potential to the above-described parasitic capacitance Csb. Therefore, the substrate bias voltage -Vbb is applied to the substrate. The substrate bias voltage generating circuit Vbb-G1 for stationary operation has a relatively small power supply capacity so that when the above-described RAM is in the non-chip select state, it can compensate for the leakage current flowing through the substrate.

Die Stromversorgungskapazität der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G1 für Stationärbetrieb wird im wesentlichen durch die Kapazität des Kondensatoren C&sub2; und die Schwingungsfrequenz der Oszillatorstufe OSC bestimmt. Anders gesagt, wird die Menge der in das Halbleitersubstrat auf eine Schwingung hin injizierten Ladung mit zunehmender Kapazität des Kondensators C&sub2; größer. Die Anzahl von Ladungsinjektionen in das Halbleitersubstrat pro Zeiteinheit wird mit höherer Schwingungsfrequenz der Oszillatorstufe OSC&sub2; größer.The power supply capacity of the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G1 for steady state operation is mainly determined by the capacitance of the capacitor C2 and the oscillation frequency of the oscillator stage OSC. In other words, the amount of charge injected into the semiconductor substrate upon one oscillation becomes larger as the capacitance of the capacitor C2 increases. The number of charge injections into the semiconductor substrate per unit time becomes larger as the oscillation frequency of the oscillator stage OSC2 increases.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Substratvorspannungserzeugungsschaltung für Stationärbetrieb in solcher Weise aufgebaut, daß sie die Eigenschaft niedrigen Stromverbrauchs aufweist, während sie die Kapazität für die erforderliche Zufuhr eines relativ kleinen Stroms sicherstellt. Die Schwingungsfrequenz der Oszillatorstufe OSC&sub2; ist durch Auswählen einer geeigneten Anzahl von CMOS-Inverterstufen, die die Oszillatorschaltung bilden, und durch Einstellen ihrer Signalverzögerungscharakteristiken auf geeignete Werte auf einen relativ niedrigen Wert eingestellt, wie 1 oder 2 MHz.According to this embodiment, the substrate bias voltage generating circuit for stationary operation is constructed in such a manner that it has the low power consumption characteristic while ensuring the capacity for the required supply of a relatively small current. The oscillation frequency of the oscillator stage OSC2 is set to a relatively low value, such as 1 or 2 MHz, by selecting an appropriate number of CMOS inverter stages constituting the oscillator circuit and setting their signal delay characteristics to appropriate values.

Hierbei ist die von der Oszillatorschaltung OSC&sub2; verbrauchte Leistung proportional zur Schwingungsfrequenz. Der Betriebsstrom oder der von jeder die Oszillatorschaltung OSC&sub2; bildenden CMOS-Inverterstufe verbrauchte Strom ist proportional zu einem sogenannten "Übergangsstrom", wie er zum Laden und Entladen der mit dem Ausgang jeder Inverterstufe verbundenen Lastkapazität (die aus der Verdrahtungskapazität, der Eingangskapazität von Inverterschaltungen der Nachstufe und dergleichen besteht) in derselben Weise erforderlich ist wie bei der wohlbekannten CMOS-Inverterstufe, und er ist im Stationärbetrieb, in dem das Ausgangs- oder Eingangssignal jedes Inverters auf hohem oder niedrigem Pegel ist, im wesentlichen Null. Da der Übergangsstrom jeder CMOS-Inverterstufe proportional zur Betriebsfrequenz ist, ist der Leistungsverbrauch einer Oszillatorschaltung OSC&sub2; mit niedriger Schwingungsfrequenz niedrig.Here, the power consumed by the oscillator circuit OSC₂ is proportional to the oscillation frequency. The operating current or the current of each element forming the oscillator circuit OSC₂ is The current consumed by each CMOS inverter stage is proportional to a so-called "transition current" required for charging and discharging the load capacitance (consisting of wiring capacitance, input capacitance of inverter circuits of the post-stage, and the like) connected to the output of each inverter stage in the same manner as in the well-known CMOS inverter stage, and is substantially zero in the steady-state operation in which the output or input signal of each inverter is at a high or low level. Since the transient current of each CMOS inverter stage is proportional to the operating frequency, the power consumption of an oscillator circuit OSC₂ with a low oscillation frequency is low.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Treiberkapazität der als Ausgangspuffer zum Treiben der Gleichrichterstufe wirkenden CMOS-Inverterstufe IV&sub5; relativ klein sein, da der Kondensator C&sub2; relativ klein ist. Daher müssen die nicht dargestellten p- und n-Kanal-MOSFETs, die diese CMOS-Inverterstufe IV&sub5; bilden, keinen niedrigen Durchlaßwiderstand aufweisen und können daher klein sein. Die die CMOS-Inverterstufe IV&sub4; als Signalformungsstufe bildenden, nicht dargestellten p- und n-Kanal-MOSFETs müssen nur eine Last mit relativ kleiner Kapazität treiben, da die die CMOS-Inverterstufe IV&sub5; bildenden MOSFETs klein sind. Daher können die die CMOS-Inverterstufe IV&sub4; bildenden MOSFETs klein sein.In this embodiment, the driving capacitance of the CMOS inverter stage IV₅ acting as an output buffer for driving the rectifier stage can be relatively small because the capacitor C₂ is relatively small. Therefore, the p- and n-channel MOSFETs (not shown) constituting this CMOS inverter stage IV₅ do not need to have a low on-resistance and can therefore be small. The p- and n-channel MOSFETs (not shown) constituting the CMOS inverter stage IV₄ as a signal shaping stage only need to drive a load with relatively small capacitance because the MOSFETs constituting the CMOS inverter stage IV₅ are small. Therefore, the MOSFETs constituting the CMOS inverter stage IV₄ can be small.

Die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G2 für intermittierenden Betrieb weist eine steuerbare Oszillatorschaltung, d. h. eine Oszillatorschaltung OSC&sub1;, die intermittierenden Betrieb ausführen kann, eine CMOS-Inverterstufe IV&sub2; als Signalformungsschaltung, eine CMOS-Inverterstufe IV&sub3; als Ausgangspuffer und eine Gleichrichterstufe auf.The substrate bias voltage generating circuit Vbb-G2 for intermittent operation comprises a controllable oscillator circuit, i.e., an oscillator circuit OSC₁ capable of performing intermittent operation, a CMOS inverter stage IV₂ as a signal shaping circuit, a CMOS inverter stage IV₃ as an output buffer, and a rectifier stage.

Die Oszillatorstufe OSC&sub1; weist CMOS-NAND-Gatterstufen G&sub2; bis G&sub4; auf. Die Ausgangsanschlüsse dieser Gatterstufen G&sub2;-G&sub4; sind mit einem der Eingangsanschlüsse einer Gatterstufe der Folgestufe verbunden. Der Ausgangsanschluß der Gatterstufe G&sub4; der Endstufe ist mit einem der Eingangsanschlüsse der Gatterstufe G&sub2; der Eingangsstufe verbunden. Der andere Eingangsanschluß jeder der Gatterstufen G&sub2;-G&sub4; wird als gemeinsamer Betriebssteuerungsanschluß angesehen, und er ist mit dem Ausgangsanschluß der Gatterstufe G&sub1; verbunden.The oscillator stage OSC₁ has CMOS NAND gate stages G₂ to G₄. The output terminals of these gate stages G₂-G₄ are connected to one of the input terminals of a gate stage of the subsequent stage. The output terminal of the gate stage G₄ of the final stage is connected to one of the input terminals of the gate stage G₂ of the input stage. The other input terminal of each of the gate stages G₂-G₄ is considered to be a common operation control terminal and it is connected to the output terminal of the gate stage G₁.

Jede der die Oszillatorschaltung OSC&sub1; bildenden Gatterstufen G&sub2;-G&sub4; arbeitet im wesentlichen als Inverter, wenn das dem Betriebssteuerungsanschluß zugeführte Steuersignal auf hohem Pegel (logisch "1") ist, wie einem solchen, der im wesentlichen mit der Spannung Vcc der Spannungsquelle übereinstimmt. Daher führt die Oszillatorschaltung OSC&sub1; den Schwingungsbetrieb als Ringoszillator aus. Wenn sich das Steuersignal auf niedrigem Pegel (logisch "0") befindet, wie einem solchen, das im wesentlichen dem Massepotential gleich ist, wird das Ausgangssignal jeder der Gatterstufen G&sub2;-G&sub4; auf dem hohen Pegel gehalten, der im wesentlichen der Versorgungsspannung Vcc gleich ist.Each of the gate stages G2-G4 constituting the oscillator circuit OSC1 operates substantially as an inverter when the control signal supplied to the operation control terminal is at a high level (logic "1") such as one substantially equal to the power source voltage Vcc. Therefore, the oscillator circuit OSC1 performs the oscillation operation as a ring oscillator. When the control signal is at a low level (logic "0") such as one substantially equal to the ground potential, the output signal of each of the gate stages G2-G4 is maintained at the high level substantially equal to the power source voltage Vcc.

Die Gleichrichterstufe weist einen Kondensator C&sub1; und MOSFETs Q&sub1;&sub8;, Q&sub1;&sub9; auf, wie in der Zeichnung dargestellt.The rectifier stage comprises a capacitor C₁ and MOSFETs Q₁₈, Q₁₉, as shown in the drawing.

Wenn die Oszillatorschaltung OSC&sub1; durch den hohen Pegel am Steuereingang in Betrieb gesetzt wird, wird die den Kondensator C&sub1; und die MOSFETs Q&sub1;&sub8;, Q&sub1;&sub9; aufweisende Gleichrichterstufe auf die erstere hin in Betrieb gesetzt, und die Ladung zum Anlegen einer Sperrvorspannung wird in das Halbleitersubstrat injiziert. Die Sperrvorspannung wird in diesem Fall durch die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G1 bestimmt, die sich in Dauerbetrieb zusammen mit der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G2 befindet.When the oscillator circuit OSC₁ is activated by the high level at the control input, the rectifier stage comprising the capacitor C₁ and the MOSFETs Q₁₈, Q₁₉ is activated in response to the former, and the charge for applying a reverse bias is injected into the semiconductor substrate. The reverse bias in this case is determined by the substrate bias generating circuit Vbb-G1, which is in continuous operation together with the substrate bias generating circuit Vbb-G2.

Wenn die Oszillatorschaltung OSC&sub1; durch den niedrigen Pegel am Steuereingang außer Betrieb gesetzt wird, arbeitet die den Kondensator C&sub1; und die MOSFETs aufweisende Gleichrichterstufe nicht. In diesem Fall wird das Ausgangssignal der CMOS-Inverterstufe IV&sub3; durch das Ausgangssignal hohen Pegels der Oszillatorschaltung OSC&sub1; auf dem hohen Pegel gehalten, der im wesentlichen der Versorgungsspannung Vcc entspricht. Durch das Ausgangssignal hohen Pegels des Inverters IV&sub3; wird der Kondensator C&sub1; im geladenen Zustand gehalten. Dieser Aufbau ermöglicht es, Ladungen zu einem frühen Zeitpunkt in das Substrat zu injizieren, wenn die Oszillatorschaltung OSC&sub1; zu arbeiten beginnt.When the oscillator circuit OSC₁ is disabled by the low level at the control input, the rectifier stage comprising the capacitor C₁ and the MOSFETs does not operate. In this case, the output signal of the CMOS inverter stage IV₃ is maintained at the high level, which is substantially equal to the supply voltage Vcc, by the high level output signal of the oscillator circuit OSC₁. The capacitor C₁ is maintained in the charged state by the high level output signal of the inverter IV₃. This structure makes it possible to inject charges into the substrate at an early stage when the oscillator circuit OSC₁ starts operating.

Die die Oszillatorschaltung OSC&sub1; bildenden CMOS-NAND-Gatter G&sub2;-G&sub4; verbrauchen so lange keinen Strom, wie sie im Stationärbetrieb arbeiten, in derselben Weise wie die CMOS-Inverterstufe. Daher ist die von der Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G2 für intermittierenden Betrieb während der Zeitspanne, in der die Oszillatorschaltung OSC&sub1; zu arbeiten aufhört, im wesentlichen Null.The CMOS NAND gates G2-G4 constituting the oscillator circuit OSC1 do not consume any current as long as they operate in the steady state mode, in the same way as the CMOS inverter stage. Therefore, the power supplied by the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G2 for intermittent operation is substantially zero during the period in which the oscillator circuit OSC1 stops operating.

Die intermittierend arbeitende Substratsperrspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G2 muß eine relativ große Stromversorgungskapazität aufweisen, damit sie einen relativ großen Leckstrom kompensieren kann, der in das Substrat fließt, wenn sich der RAM im arbeitenden Zustand befindet. Daher ist die Kapazität des Kondensators C&sub1; relativ groß, während die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung OSC&sub1; relativ hoch ist, wie von 10 bis 15 MHz.The intermittently operating substrate blocking voltage generating circuit Vbb-G2 is required to have a relatively large power supply capacity so that it can compensate for a relatively large leakage current flowing into the substrate when the RAM is in the operating state. Therefore, the capacitance of the capacitor C₁ is relatively large while the oscillation frequency of the oscillator circuit OSC₁ is relatively high, such as from 10 to 15 MHz.

Die die CMOS-Inverterstufe IV&sub3; bildenden, nicht dargestellten p- und n-Kanal-MOSFETs sind relativ groß, da die Gleichrichterstufe eine relativ große Last bildet. Die die CMOS- Inverterstufe IV&sub2; bildenden, nicht dargestellten p- und n-Kanal-MOSFETs sind relativ groß, so daß sie die CMOS-Inverterstufe IV&sub3; in ausreichender Weise treiben können.The p- and n-channel MOSFETs (not shown) forming the CMOS inverter stage IV₃ are relatively large, since the rectifier stage forms a relatively large load. The p- and n-channel MOSFETs (not shown) forming the CMOS inverter stage IV₂ are relatively large, so that they form the CMOS inverter stage IV₃ can be driven sufficiently.

Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Pegeldetektorschaltung VLD mit MOSFETs Q&sub1;&sub0;-Q&sub1;&sub7; und CMOS-Inverterstufen IV&sub0;, IV&sub1; und eine Steuerschaltung mit der CMOS-NAND-Gatterstufe G&sub1;, um die Substratvorspannungserzeugungsschaltung Vbb-G2 nur dann zu betreiben, wenn deren Arbeit erforderlich ist.This embodiment includes a level detector circuit VLD with MOSFETs Q₁₀-Q₁₇ and CMOS inverter stages IV₀, IV₁ and a control circuit with the CMOS NAND gate stage G₁ to operate the substrate bias generating circuit Vbb-G2 only when its operation is required.

Die Pegeldetektorschaltung VLD ist vorhanden, um zwangsläufig eine übermäßige Substratsperrvorspannung -Vbb jenseits einem vorbestimmten Pegel zu ermitteln, was für Hochgeschwindigkeitsbetrieb des RAM erforderlich ist. In der Pegeldetektorschaltung VLD wird das Massepotential der Schaltung dauernd an das Gate des p-Kanal-MOSFET Q&sub1;&sub0; gelegt, so daß der Transistor als Konstantstromlast dient. Anders gesagt, ist der MOSFET Q&sub1;&sub0; dauernd eingeschaltet. Ein p-Kanal- MOSFET Q&sub1;&sub1; zum Festklemmen des Pegels ist mit diesem MOSFET Q&sub1;&sub0; in Reihe geschaltet. Da das Massepotential der Schaltung dem Gate dauernd zugeführt wird, wird dieser MOSFET Q&sub1;&sub1; dauernd eingeschaltet gehalten. Daher befindet sich das Sourcepotential des MOSFET Q&sub1;&sub1;, d. h. das Potential der mit dem Drain des MOSFET Q&sub1;&sub0; verbundenen Elektrode auf einem Pegel, der zumindest höher als das Massepotential der Schaltung ist, und das Drainpotential entspricht im wesentlichen dem Massepotential der Schaltung. MOSFETs Q&sub1;&sub2;-Q&sub1;&sub4; in Diodenschaltung sind in Reihe zwischen den Drain des MOSFET Q&sub1;&sub1; und das Substrat (-Vbb) geschaltet.The level detection circuit VLD is provided to positively detect an excessive substrate reverse bias voltage -Vbb beyond a predetermined level, which is required for high-speed operation of the RAM. In the level detection circuit VLD, the ground potential of the circuit is always applied to the gate of the p-channel MOSFET Q₁₀ so that the transistor serves as a constant current load. In other words, the MOSFET Q₁₀ is always on. A p-channel MOSFET Q₁₁ for clamping the level is connected in series with this MOSFET Q₁₀. Since the ground potential of the circuit is always applied to the gate, this MOSFET Q₁₁ is always kept on. Therefore, the source potential of the MOSFET Q₁₁, i.e. the potential of the electrode connected to the drain of the MOSFET Q₁₀ is at a level at least higher than the ground potential of the circuit, and the drain potential is substantially equal to the ground potential of the circuit. MOSFETs Q₁₂-Q₁₄ in diode connection are connected in series between the drain of the MOSFET Q₁₁ and the substrate (-Vbb).

Daher entspricht der Erfassungspegel der Pegeldetektorschaltung VLD im wesentlichen der Summe 3Vth der Schwellenspannungen Vth der drei in Reihe geschalteten MOSFETs Q&sub1;&sub2; bis Q&sub1;&sub4;. Wenn sich die Substratsperrvorspannung -Vbb auf einem Pegel befindet, der niedriger ist als die gesamte Schwellenspannung 3Vth der drei Transistoren Q&sub1;&sub2;-Q&sub1;&sub4; in Diodenschaltung, werden diese Transistoren abgeschaltet. In diesem Fall befindet sich das Potential an der Verbindung zwischen den MOSFETs Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub0; auf einem hohen Pegel wie dem der Versorgungsspannung Vcc. Wenn die Substratsperrvorspannung -Vbb auf einem Pegel ist, der höher ist als die Gesamtschwellenspannung 3Vth der MOSFETs Q&sub1;&sub2;-Q&sub1;&sub4; in Diodenschaltung, werden diese Transistoren Q&sub1;&sub2;-Q&sub1;&sub4; eingeschaltet. In diesem Fall befindet sich das Potential an der Verbindung zwischen den MOSFETs Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub0; auf einem niedrigen Pegel, der um die Schwellenspannung Vth des MOSFET Q&sub1;&sub1; höher ist als das Massepotential der Schaltung. In diesem Fall verringert der vom Versorgungsspannungsanschluß Vcc in das Substrat fließende Strom zwangsläufig die Substratsperrvorspannung -Vbb.Therefore, the detection level of the level detector circuit VLD is substantially equal to the sum 3Vth of the threshold voltages Vth of the three series-connected MOSFETs Q₁₂ to Q₁₄. When the substrate reverse bias voltage -Vbb is at a level lower than the total threshold voltage 3Vth of the three transistors Q₁₂-Q₁₄ in diode connection, these transistors are turned off. In this case, the potential at the junction between the MOSFETs Q₁₁ and Q₁₀ is at a high level like that of the power supply voltage Vcc. When the substrate reverse bias voltage -Vbb is at a level higher than the total threshold voltage 3Vth of the MOSFETs Q₁₂-Q₁₄ in diode connection, these transistors Q₁₂-Q₁₄ are turned on. In this case, the potential at the junction between the MOSFETs Q₁₁ and Q₁₀ is at a low level higher than the ground potential of the circuit by the threshold voltage Vth of the MOSFET Q₁₁. In this case, the current flowing into the substrate from the power supply voltage terminal Vcc inevitably lowers the substrate reverse bias voltage -Vbb.

Der Leitwert des Last-MOSFET Q&sub1;&sub0; wird auf einen extrem niedrigen Wert gesetzt, um den Strom zu minimieren, der durch die Pegeldetektorschaltung in das Substrat fließt, und um den niedrigen Pegel ausreichend zu verringern, der an der Verbindung zwischen den MOSFETs Q&sub1;&sub0; und Q&sub1;&sub1; auftritt. Anders gesagt, wird der Leitwert auf einen extrem kleinen Wert gesetzt, damit der MOSFET Q&sub1;&sub0; nur den Fluß eines kleinen Stroms zuläßt.The conductance of the load MOSFET Q₁₀ is set to an extremely low value in order to minimize the current flowing through the level detector circuit into the substrate and to sufficiently reduce the low level appearing at the junction between the MOSFETs Q₁₀ and Q₁₁. In other words, the conductance is set to an extremely small value so that the MOSFET Q₁₀ allows only a small current to flow.

Der hohe und der niedrige Pegel des Detektorausgangssignals, wie oben beschrieben, werden durch eine durch einen p-Kanal- MOSFET Q&sub1;&sub5; und einen n-Kanal-MOSFET Q&sub1;&sub6; gebildete CMOS-Inverterstufe beurteilt. Die Inverterstufe mit den MOSFETs Q&sub1;&sub5; und Q&sub1;&sub6; bildet zusammen mit einem MOSFET Q&sub1;&sub7; und einer CMOS- Inverterstufe IVo eine Schmidtschaltung (Hystereseschaltung), um eine Änderung des Erfassungsausgangssignals mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen und um insbesondere die Oszillatorschaltung OSC&sub1; schnell zu betreiben, wenn die Sperrvorspannung verringert wird; es besteht jedoch keine besondere Einschränkung auf diese Konfiguration. Anders gesagt, wird das Ausgangssignal der Inverterstufe mit den MOSFETs Q&sub1;&sub5; und Q&sub1;&sub6; auf den Eingang der CMOS-Inverterstufe IVo gelegt, die einen ähnlichen Aufbau aufweist. Das Ausgangssignal dieser CMOS-Inverterstufe IVo wird dem Gate des zwischen ihrem Eingang und der Versorgungsspannung Vcc liegenden p-Kanal-MOSFET Q&sub1;&sub7; zugeführt, wodurch eine gleichphasige Rückkopplung bewirkt wird. Wenn das Erfassungsausgangssignal niedrigen Pegels gebildet wird, wird das von der Inverterstufe IVo erzeugte Erfassungssignal mit hoher Geschwindigkeit auf den niedrigen Pegel geändert. Das durch diese Inverterstufe IVo erzeugte Erfassungsausgangssignal wird einem der Ausgangsanschlüsse der CMOS-NAND-Gatterstufe G&sub1; über die CMOS-Inverterstufe IV&sub1; zugeführt. Das durch die in Fig. 1 dargestellte Zeitablaufsteuerschaltung TC gebildete interne Zeilenadreßabtastsignal RAS&sub1; wird dem anderen Eingangsanschluß dieser NAND-Gatterstufe G&sub1; zugeführt. Das Ausgangssignal dieser NAND-Gatterstufe G&sub1; wird gemeinsam den anderen Eingangsanschlüssen der NAND-Gatterstufen G&sub2;-G&sub4; zugeführt, die den oben beschriebenen Ringoszillator OSC&sub1; bilden.The high and low levels of the detector output as described above are judged by a CMOS inverter stage constituted by a p-channel MOSFET Q₁₅ and an n-channel MOSFET Q₁₆. The inverter stage comprising the MOSFETs Q₁₅ and Q₁₆ together with a MOSFET Q₁₇ and a CMOS inverter stage IVo constitutes a Schmidt circuit (hysteresis circuit) to achieve a high-speed change in the detection output and, in particular, to quickly operate the oscillation circuit OSC₁ when the reverse bias voltage is reduced; however, there is no particular limitation to this configuration. In other words, the output of the inverter stage comprising the MOSFETs Q₁₅ and Q₁₆ is applied to the input of the CMOS inverter stage IVo which has a similar structure. The output of this CMOS inverter stage IVo is applied to the gate of the p-channel MOSFET Q₁₇ connected between its input and the power supply voltage Vcc, thereby causing in-phase feedback. When the low-level detection output is formed, the detection signal generated by the inverter stage IVo is changed to the low level at high speed. The detection output generated by this inverter stage IVo is applied to one of the output terminals of the CMOS NAND gate stage G₁ through the CMOS inverter stage IV₁. The internal row address strobe signal RAS₁ formed by the timing control circuit TC shown in Fig. 1 is applied to the input of the CMOS inverter stage IVo. is fed to the other input terminal of this NAND gate stage G₁. The output signal of this NAND gate stage G₁ is fed together to the other input terminals of the NAND gate stages G₂-G₄ which form the ring oscillator OSC₁ described above.

Nachfolgend wird der Betrieb der Schaltung dieses Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf das Zeitablaufdiagramm von Fig. 3 beschrieben.Next, the operation of the circuit of this embodiment will be described with reference to the timing chart of Fig. 3.

Wenn sich der RAM im Zustand mit nicht ausgewähltem Chip befindet oder wenn sich das interne Adreßabtastsignal RAS&sub1; auf hohem Pegel befindet, spricht das Ausgangssignal der Gatter stufe G&sub1; auf das Erfassungsausgangssignal der Pegeldetektorschaltung VLD an.When the RAM is in the chip unselected state or when the internal address strobe signal RAS₁ is at a high level, the output of the gate stage G₁ is responsive to the detection output of the level detector circuit VLD.

Wenn bei diesem Zustand mit nichtausgewähltem Chip der Absolutwert der Substratsperrvorspannung -Vbb kleiner ist als die Gesamtschwellenspannung 3Vth der bereits beschriebenen drei MOSFETs Q&sub1;&sub2; bis Q&sub1;&sub4;, werden die Transistoren abgeschaltet, und demgemäß befindet sich das Erfassungsausgangssignal auf hohem Pegel. Daher befindet sich das der NAND-Gatterstufe G&sub1; zugeführte Erfassungsausgangssignal auf niedrigem Pegel (logisch "0"), und das Ausgangssignal der NAND-Gatterstufe G&sub1; befindet sich auf hohem Pegel (logisch "1"), wodurch sich die Oszillatorschaltung OSC&sub1; im Schwingungszustand befindet. Der Absolutwert der Substratsperrvorspannung wird von der Gleichrichterstufe erhöht, die die Ausgangsimpulse der Oszillatorschaltung empfängt. Wenn die Substratsperrvorspannung -Vbb die Gesamtschwellenspannung 3Vth überschreitet, werden die MOSFETs Q&sub1;&sub2;-Q&sub1;&sub4; eingeschaltet, so daß sich das Erfassungsausgangssignal auf dem niedrigen Pegel befindet, woraufhin sich das der NAND-Gatterstufe G&sub1; zugeführte Erfassungsausgangssignal auf dem hohen Pegel befindet (logisch "1"). Da das Ausgangssignal der NAND-Gatterstufe G&sub1; auf das vorige Signal hin auf den niedrigen Pegel (logisch "0") fällt, steigen die Ausgangssignale aller NAND- Gatterstufen G&sub1;- G&sub4;, die die Oszillatorschaltung OSC bilden, auf den hohen Pegel (logisch "1") an. Anders gesagt, endet die Schwingung.In this chip-unselected state, if the absolute value of the substrate reverse bias voltage -Vbb is smaller than the total threshold voltage 3Vth of the three MOSFETs Q₁₂ to Q₁₄ described above, the transistors are turned off, and accordingly, the detection output signal is at the high level. Therefore, the detection output signal supplied to the NAND gate stage G₁ is at the low level (logic "0"), and the output signal of the NAND gate stage G₁ is at the high level (logic "1"), whereby the oscillator circuit OSC₁ is in the oscillation state. The absolute value of the substrate reverse bias voltage is increased by the rectifier stage which receives the output pulses of the oscillator circuit. When the substrate reverse bias voltage -Vbb exceeds the total threshold voltage 3Vth, the MOSFETs Q₁₂-Q₁₄ are turned on so that the detection output signal is at the low level, whereupon the detection output signal supplied to the NAND gate stage G₁ is at the high level (logic "1"). Since the output of the NAND gate stage G₁ falls to the low level (logic "0") in response to the previous signal, the outputs of all the NAND gate stages G₁ - G₄ that form the oscillator circuit OSC rise to the high level (logic "1"). In other words, the oscillation ends.

Da die Schwingung aufhört, hört auch der Betrieb der Gleichrichterstufe (C&sub1;, Q&sub1;&sub8;, Q&sub1;&sub9;) auf. Da die viel Leistung verbrauchende Oszillatorschaltung die Gleichrichterstufe so zu arbeiten aufhören, kann niedriger Stromverbrauch erzielt werden. Im übrigen können, da sich die Substratsperrvorspannung direkt nach dem Einschalten der Spannung auf niedrigem Pegel oder nahe dem Massepotential befindet, die Arbeitsabläufe der beiden Substratsperrvorspannung-Erzeugungsschaltungen den Absolutwert der Substratsperrvorspannung schnell auf den gewünschten Pegel anheben.Since the oscillation stops, the operation of the rectifier stage (C₁, Q₁₈, Q₁₉) also stops. Since the high-power consuming oscillator circuit and the rectifier stage stop operating, low power consumption can be achieved. Besides, since the substrate reverse bias voltage is at a low level or close to the ground potential immediately after the power is turned on, the operations of the two substrate reverse bias voltage generating circuits can quickly raise the absolute value of the substrate reverse bias voltage to the desired level.

Wenn das Zeilenadreßabtastsignal RAS auf den niedrigen Pegel fällt und so eine Chipauswahl angezeigt wird, wird das interne Signal RAS&sub1; daraufhin auf den niedrigen Pegel abgesenkt, so daß das Ausgangssignal der NAND-Gatterstufe G&sub1; unabhängig vom Erfassungsausgangssignal der oben beschriebenen Pegeldetektorschaltung auf den hohen Pegel (logisch "1") ansteigt. Wenn der RAM Schreib/Lese-Abläufe und dergleichen ausführt, wird die Oszillatorschaltung OSC&sub1; ohne Bedingungen in Betrieb gesetzt. Dies dient zum Verhindern eines drastischen Abfalls des Absolutwerts der Substratsperrvorspannung -Vbb, wie er durch einen relativ großen Substratleckstrom hervorgerufen wird, wie er auftritt, wenn RAM-Betriebsabläufe, wie sie oben beschrieben sind, begonnen werden. Wenn die Oszillatorschaltung OSC&sub1; vorab in Betrieb gesetzt wird, bevor der RAM in Betrieb gesetzt wird, wie bei diesem Ausführungsbeispiel, wird es möglich, den drastischen Abfall der Substratsperrvorspannung -Vbb zu verhindern.When the row address strobe signal RAS falls to the low level, indicating a chip select, the internal signal RAS₁ is then lowered to the low level, so that the output of the NAND gate stage G₁ rises to the high level (logic "1") regardless of the detection output of the level detector circuit described above. When the RAM performs write/read operations and the like, the oscillator circuit OSC₁ is unconditionally operated. This is to prevent a drastic drop in the absolute value of the substrate reverse bias voltage -Vbb caused by a relatively large substrate leakage current, which occurs when RAM operations as described above are started. If the oscillator circuit OSC₁ is preliminarily operated before the RAM is operated, as in this embodiment, it becomes possible to prevent the drastic drop in the substrate reverse bias voltage -Vbb.

[Ausführungsbeispiel 2][Example 2]

Fig. 4 ist ein Schaltbild, das einen dynamischen RAM gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Diejenigen Schaltungen, die in Fig. 4 nicht dargestellt sind, sind im wesentlichen dieselben, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind.Fig. 4 is a circuit diagram showing a dynamic RAM according to the second embodiment of the invention. The circuits not shown in Fig. 4 are substantially the same as those shown in Fig. 1.

Der RAM bei diesem Ausführungsbeispiel weist eine Auffrischsteuerschaltung REFC und einen Multiplexer MPX auf, um automatisches Auffrischen von Speicherzellen auszuführen.The RAM in this embodiment includes a refresh control circuit REFC and a multiplexer MPX to perform automatic refresh of memory cells.

Die Auffrischsteuerschaltung REFC weist einen Auffrischzeitgeber und einen Auffrischadreßzähler auf, die nicht dargestellt sind.The refresh control circuit REFC includes a refresh timer and a refresh address counter, which are not shown.

Der Auffrischzeitgeber wird betrieben, wenn das Zeilenadreßabtastsignal RAS auf den hohen Pegel angehoben wird und das Auffrischsteuersignal REFH auf den niedrigen Pegel abgesenkt wird, d. h., wenn Auffrischbetrieb im Zustand mit nichtausgewähltem Chip angezeigt wird, und er erzeugt während seines Betriebs periodisch Auffrischsteuersignale Φref.The refresh timer is operated when the row address strobe signal RAS is raised to the high level and the refresh control signal REFH is lowered to the low level, that is, when refresh operation is performed in the non-selected state. chip and periodically generates refresh control signals Φref during its operation.

Der Auffrischadreßzähler empfängt die vom Auffrischzeitgeber erzeugten Steuersignale als Weiterstellimpulse, und er bildet Auffrischadreßsignale axo bis axi.The refresh address counter receives the control signals generated by the refresh timer as advance pulses and forms refresh address signals axo to axi.

Der Betrieb des Multiplexers MPX wird durch das Steuersignal Φref gesteuert. Der Multiplexer MPX wählt die vom Adreßpuffer R-ADB erzeugten internen Adreßsignal axo bis axi aus, wenn das Steuersignal Φref nicht erzeugt wird, und er wählt die Auffrischadreßsignale axo' bis axi' aus, wenn das Steuersignal Φref erzeugt wird.The operation of the multiplexer MPX is controlled by the control signal Φref. The multiplexer MPX selects the internal address signals axo to axi generated by the address buffer R-ADB when the control signal Φref is not generated, and selects the refresh address signals axo' to axi' when the control signal Φref is generated.

Die Zeitsteuerschaltung TC erzeugt auf das Zeilenadreßabtastsignal RAS, das Spaltenadreßabtastsignal CAS und dergleichen, die von den externen Anschlüssen zugeführt werden, auf dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel verschiedene Zeitsteuersignale, die ähnlich denjenigen beim ersten Ausführungsbeispiel sind. Jedoch ist dieses Ausführungsbeispiel dahingehend etwas vom ersten Ausführungsbeispiel verschieden, daß die interne Schaltung der Zeitsteuerschaltung TC auf solche Weise aufgebaut ist, daß sie auf das Auffrischsteuersignal Φref anspricht. Wenn das Auffrischsteuersignal Φref erzeugt wird, steuert das Zeitsteuersignal TC den Betrieb der Zeilensystemschaltungen, d. h. des Zeilenadreßdecoders R-DCR, der Vorladeschaltung PC, des Leseverstärkers SA und der aktiven Wiederherstellschaltung AR, wie in Fig. 1 dargestellt, was auf das Auffrischsteuersignal hin erfolgt.The timing control circuit TC generates various timing signals similar to those in the first embodiment in response to the row address strobe signal RAS, the column address strobe signal CAS and the like supplied from the external terminals in the same manner as in the first embodiment. However, this embodiment is slightly different from the first embodiment in that the internal circuit of the timing control circuit TC is constructed in such a manner as to respond to the refresh control signal φref. When the refresh control signal φref is generated, the timing control signal TC controls the operation of the row system circuits, i.e., the row address decoder R-DCR, the precharge circuit PC, the sense amplifier SA and the active restore circuit AR, as shown in Fig. 1, in response to the refresh control signal.

Bei diesem Aufbau wird Auffrischbetrieb immer dann bewirkt, wenn das Auffrischsteuersignal Φref erzeugt wird. Anders gesagt, werden, wenn das Auffrischsteuersignal Φref erzeugt wird, die Auffrischadreßsignale axo bis axi des Auffrischadreßzählers dem Zeilenadreßdecoder R-DEC von Fig. 1 über den Multiplexer MPX auf das Auffrischsteuersignal Φref hin zugeführt. Das Steuersignal Φref betätigt die Zeitsteuerschaltung TC, und die durch die Zeitsteuerschaltung TC erzeugten Zeilensystem-Zeitsteuersignale betätigen ihrerseits sequentiell die Vorladeschaltung PC, den Zeilenadreßdecoder R-DCR, den Leseverstärker SA und die aktive Wiederherstellschaltung AR von Fig. 1. Im Ergebnis wird die der Auffrischadresse entsprechende Wortleitung ausgewählt, und der in der mit der ausgewählten Wortleitung verbundenen Speicherzelle gespeicherte Datenwert wird aufgefrischt.In this structure, refresh operation is effected whenever the refresh control signal φref is generated. In other words, when the refresh control signal φref is generated, the refresh address signals axo to axi of the refresh address counter to the row address decoder R-DEC of Fig. 1 via the multiplexer MPX in response to the refresh control signal Φref. The control signal Φref actuates the timing control circuit TC, and the row system timing signals generated by the timing control circuit TC in turn sequentially actuate the precharge circuit PC, the row address decoder R-DCR, the sense amplifier SA and the active restore circuit AR of Fig. 1. As a result, the word line corresponding to the refresh address is selected, and the data stored in the memory cell connected to the selected word line is refreshed.

Die Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G und die Pegeldetektorschaltung VLD dieses Ausführungsbeispiels sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen von Fig. 2.The substrate bias voltage generating circuit Vbb-G and the level detecting circuit VLD of this embodiment are substantially the same as those of Fig. 2.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine logische Syntheseschaltung mit einer CMOS-Gatterstufe G&sub5; und CMOS-Inverterstufen IV&sub6; und IV&sub7; vorhanden, so daß der Betrieb der Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G auch durch das Auffrischsteuersignal Φref gesteuert wird. Das Ausgangssignal dieser logischen Syntheseschaltung wird zum Zeitpunkt der Chipauswahl (Periode, in der sich das Zeilenadreßabtastsignal RAS auf niedrigem Pegel befindet) und zum Zeitpunkt des Auffrischbetriebs auf niedrigen Pegel gesetzt.In this embodiment, a logic synthesis circuit comprising a CMOS gate stage G5 and CMOS inverter stages IV6 and IV7 is provided so that the operation of the substrate bias generating circuit Vbb-G is also controlled by the refresh control signal φref. The output of this logic synthesis circuit is set to a low level at the time of chip selection (period in which the row address strobe signal RAS is at a low level) and at the time of the refresh operation.

Der Schaltungsteil für intermittierenden Betrieb innerhalb der Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G wird synchron betrieben, wenn der Substratleckstrom durch das Ausführen des Auffrischbetriebs erhöht wird, d. h., wenn die Zeitsteuerschaltung TC und die Zeilensystemschaltungen durch das Auffrischsteuersignal Φref betrieben werden.The intermittent operation circuit part within the substrate bias generating circuit Vbb-G is synchronously operated when the substrate leakage current is increased by executing the refresh operation, that is, when the timing control circuit TC and the row system circuits are operated by the refresh control signal φref.

Wenn Batterieunterstützung eines dynamischen RAM erforderlich ist, sind eine Spannungsquellenvorrichtung PS zum Bilden einer vorgegebenen Gleichspannung aus z. B. einer herkömmlichen Wechselspannungsquelle, und eine Reihenschaltung mit einer Batterie E und einer Diode D zwischen den externen Anschluß Vcc und GND geschaltet. Wenn die Spannungsquellenvorrichtung PS abgeschaltet wird, wird die vom RAM zum Halten der Information oder Daten erforderliche Versorgungsspannung von der Batterie E zugeführt.If battery support of a dynamic RAM is required, a voltage source device PS for forming a predetermined DC voltage from, for example, a conventional AC power source, and a series circuit comprising a battery E and a diode D is connected between the external terminal Vcc and GND. When the power source device PS is turned off, the supply voltage required by the RAM to hold the information or data is supplied from the battery E.

Beim dynamischen RAM dieses Ausführungsbeispiels wird insbesondere der Auffrischbetrieb zum Zeitpunkt der Batterieunterstützung automatisch ausgeführt, ohne daß hierzu irgendwelche äußeren Steuersignale erforderlich sind. Daher erfordert der RAM zum Zeitpunkt der Batterieunterstützung nicht den Betrieb anderer externer Vorrichtungen.In the dynamic RAM of this embodiment, in particular, the refresh operation at the time of battery backup is automatically carried out without requiring any external control signals. Therefore, the RAM does not require the operation of other external devices at the time of battery backup.

Da durch die Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G niedriger Leistungsverbrauch erzielt werden kann, kann der Leistungsverbrauch des dynamischen RAM dieses Ausführungsbeispiels insgesamt erniedrigt werden. Daher kann die Batterielebensdauer bei Batterieunterstützung verlängert werden.Since low power consumption can be achieved by the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G, the power consumption of the dynamic RAM of this embodiment can be lowered as a whole. Therefore, the battery life can be extended in battery backup.

[Ausführungsbeispiel 3][Example 3]

Fig. 5 ist ein Schaltbild, das eine Pegeldetektorschaltung VLD und eine Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.Fig. 5 is a circuit diagram showing a level detector circuit VLD and a substrate bias generating circuit according to still another embodiment of the invention.

Die Pegeldetektorschaltung VLD weist einen p-Kanal-MOSFET Q&sub2;&sub6;, n-Kanal-MOSFETs Q&sub2;&sub7;-Q&sub2;&sub7; und eine CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub0; auf, wie in der Zeichnung dargestellt. Das Substratgate des MOSFET Q&sub2;&sub6; ist mit dem Spannungsanschluß Vcc auf dieselbe Weise wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen verbunden. Die Substratgates der MOSFETs Q&sub2;&sub7;-Q&sub2;&sub9; bestehen aus dem p-Halbleitersubstrat.The level detector circuit VLD comprises a p-channel MOSFET Q₂₆, n-channel MOSFETs Q₂₇-Q₂₇, and a CMOS inverter stage IV₁₀, as shown in the drawing. The substrate gate of the MOSFET Q₂₆ is connected to the voltage terminal Vcc in the same manner as in the previous embodiments. The substrate gates of the MOSFETs Q₂₇-Q₂₉ are made of the p-type semiconductor substrate.

Das Erfassungsausgangssignal VD der Pegeldetektorschaltung VLD wird abhängig vom Pegel der Sperrvorspannung -Vbb auf im wesentlichen dem Pegel Vcc entsprechenden hohen Pegel oder auf im wesentlichen 0 V entsprechenden niedrigen Pegel gesetzt, was auf dieselbe Weise wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen erfolgt.The detection output signal VD of the level detector circuit VLD is set to a high level substantially corresponding to the level Vcc or to a low level substantially corresponding to 0 V depending on the level of the reverse bias voltage -Vbb, which is carried out in the same manner as in the previous embodiments.

Die CMOS-NAND-Gatterstufe G&sub6; empfängt das Erfassungsausgangssignal VD der Pegeldetektorschaltung VLD und das Steuersignal VCN&sub1;. Das Steuersignal VCN&sub1; wird z. B. durch eine in Fig. 4 dargestellte Inverterstufe IV&sub7; erzeugt. Das Ausgangssignal der Gatterstufe G&sub6; wird der Substratvorspannung- Erzeugungsschaltung Vbb-G zugeführt.The CMOS NAND gate stage G6 receives the detection output signal VD of the level detector circuit VLD and the control signal VCN1. The control signal VCN1 is generated, for example, by an inverter stage IV7 shown in Fig. 4. The output signal of the gate stage G6 is supplied to the substrate bias voltage generating circuit Vbb-G.

Die Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G weist die gemeinsame Oszillatorschaltung OSC, eine CMOS-Inverterstufe IV&sub8;, die als Signalformungsschaltung wirkt, eine CMOS-NAND- Gatterstufe G&sub7;, eine CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub1;, CMOS-Inverterstufen IV&sub9; und IV&sub1;&sub2; als Pufferverstärker und Gleichrichterstufen CPC&sub1; und CPC&sub2; auf.The substrate bias voltage generating circuit Vbb-G comprises the common oscillator circuit OSC, a CMOS inverter stage IV8 acting as a signal shaping circuit, a CMOS NAND gate stage G7, a CMOS inverter stage IV11, CMOS inverter stages IV9 and IV12 as buffer amplifiers, and rectifier stages CPC1 and CPC2.

Da das Ausgangssignal der CMOS-Inverterstufe IV&sub8; direkt dem Eingang der CMOS-Inverterstufe IV&sub9; zugeführt wird, erzeugt die letztere stationär Impulssignale. Infolgedessen wird die Gleichrichterstufe CPC&sub1; stationär betrieben.Since the output signal of the CMOS inverter stage IV�8 is fed directly to the input of the CMOS inverter stage IV�9, the latter generates stationary pulse signals. As a result, the rectifier stage CPC�1 is operated stationary.

Das Ausgangssignal der CMOS-Inverterstufe IV&sub8; wird dem Eingang der CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub2; über die Gatterstufe G&sub7; und die CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub1; zugeführt. Daher sind die Ausgangsimpulse der CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub2; intermittierend. Die Gleichrichterstufe CPC&sub2; wird daher abhängig vom Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub2; Intermittierend betrieben.The output signal of the CMOS inverter stage IV₈ is fed to the input of the CMOS inverter stage IV₁₂ via the gate stage G₇ and the CMOS inverter stage IV₁₁. Therefore, the output pulses of the CMOS inverter stage IV₁₂ are intermittent. The rectifier stage CPC₂ is therefore operated intermittently depending on the output signal of the inverter stage IV₁₂.

Die Stromversorgungskapazität der Gleichrichterstufe CPC&sub1;, die Stationärbetrieb für das Halbleitersubstrat aufweist, kann, wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen, klein sein. Daher kann auch der Ladungspumpkondensator C&sub3; relativ klein sein.The power supply capacity of the rectifier stage CPC₁, which has steady-state operation for the semiconductor substrate can be small, as in the previous embodiments. Therefore, the charge pump capacitor C₃ can also be relatively small.

Der Ladungspumpkondensator in der Gleichrichterstufe CPC&sub2;, die den intermittierenden Betrieb aufweist, ist relativ groß.The charge pump capacitor in the rectifier stage CPC₂, which has the intermittent operation, is relatively large.

Obwohl keine besondere Einschränkung auf die folgende Konfiguration besteht, sind die Kondensatoren C&sub3; und C&sub4; in einem (nicht dargestellten) n-Bereich ausgebildet, der seinerseits an der Oberfläche des p-Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und sie weisen einen Aufbau ähnlich dem des p-Kanal-MOSFET auf. Der n-Wannenbereich, in dem diese Kondensatoren C&sub3; und C&sub4; ausgebildet sind, wird z. B. auf dem Potential des Spannungsanschlusses Vcc der Schaltung gehalten. Dieser Aufbau ist etwas von Vorteil, um den Substratleckstrom zu verringern.Although there is no particular limitation to the following configuration, the capacitors C3 and C4 are formed in an n-type region (not shown) formed on the surface of the p-type semiconductor substrate, and have a structure similar to that of the p-channel MOSFET. The n-well region in which these capacitors C3 and C4 are formed is maintained at the potential of the circuit power terminal Vcc, for example. This structure is somewhat advantageous for reducing the substrate leakage current.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Oszillatorschaltung OSC den Gleichrichterstufen CPC&sub1; und CPC&sub2; gemeinsam. Wie bereits beschrieben, ist der dem Halbleitersubstrat zugeführte Vorstrom der Betriebsfrequenz der Gleichrichterstufe zugeordnet. Die Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung OSC wird durch die Stromversorgungskapazität, wie sie von der Gleichrichterstufe CPC&sub1; für Stationärbetrieb zur Verfügung gestellt wird, und durch die Stromversorgungskapazität bestimmt, wie sie von der Gleichrichterstufe CPC&sub2; für intermittierenden Betrieb zur Verfügung gestellt wird. Daher ist die Untergrenze der Schwingungsfrequenz der Oszillatorschaltung OSC im Vergleich mit derjenigen der Oszillatorschaltung OSC&sub2; für Stationärbetrieb, wie in Fig. 2 dargestellt, etwas beschränkt.In this embodiment, the oscillator circuit OSC is common to the rectifier stages CPC₁ and CPC₂. As already described, the bias current supplied to the semiconductor substrate is associated with the operating frequency of the rectifier stage. The oscillation frequency of the oscillator circuit OSC is determined by the power supply capacity provided by the rectifier stage CPC₁ for steady-state operation and by the power supply capacity provided by the rectifier stage CPC₂ for intermittent operation. Therefore, the lower limit of the oscillation frequency of the oscillator circuit OSC is somewhat limited in comparison with that of the oscillator circuit OSC₂ for steady-state operation as shown in Fig. 2.

Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet jedoch keine Oszillatorschaltung, die während des Betriebs selbst Leistung verbraucht, wie die in Fig. 2 dargestellte Oszillatorschaltung OSC&sub1; für intermittierenden Betrieb.However, this embodiment does not include an oscillator circuit that itself consumes power during operation, such as the oscillator circuit OSC1 shown in Fig. 2 for intermittent operation.

Daher kann die Anzahl erforderlicher Schaltungselemente verringert werden. Darüber hinaus kann der mittlere Leistungsverbrauch des RAM insgesamt selbst dann ausreichend erniedrigt werden, wenn die von der gemeinsamen Oszillatorschaltung OSC verbrauchte Leistung etwas größer ist als diejenige z. B. der in Fig. 2 dargestellten Oszillatorschaltung OSC&sub2;.Therefore, the number of required circuit elements can be reduced. In addition, the average power consumption of the RAM as a whole can be sufficiently reduced even if the power consumed by the common oscillator circuit OSC is slightly larger than that of, for example, the oscillator circuit OSC2 shown in Fig. 2.

[Ausführungsbeispiel 4][Example 4]

Fig. 6 ist ein Schaltbild einer Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G gemäß einem noch anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.Fig. 6 is a circuit diagram of a substrate bias voltage generating circuit Vbb-G according to still another embodiment of the present invention.

Die Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung Vbb-G dieses Ausführungsbeispiels weist die Oszillatorschaltung OSC, eine CMOS-Inverterstufe IV&sub1;&sub3;, die als Signalformungsschaltung dient, eine CMOS-NAND-Gatterstufe G&sub8;, CMOS-Inverterstufen IV&sub1;&sub4; und IV&sub1;&sub6;, CMOS-Inverterstufen IV&sub1;&sub5; und IV&sub1;&sub7;, die als Pufferverstärker wirken, Ladungspumpkondensatoren C&sub5; und C&sub6; sowie n-Kanal-MOSFETs Q&sub3;&sub5; bis Q&sub3;&sub8; als Gleichrichterelemente auf.The substrate bias voltage generating circuit Vbb-G of this embodiment includes the oscillator circuit OSC, a CMOS inverter stage IV13 serving as a signal shaping circuit, a CMOS NAND gate stage G8, CMOS inverter stages IV14 and IV16, CMOS inverter stages IV15 and IV17 acting as buffer amplifiers, charge pump capacitors C5 and C6, and n-channel MOSFETs Q35 to Q38 as rectifying elements.

Wenn das in Kombination mit dem Erfassungsausgangssignal der Pegeldetektorschaltung und dem Steuersignal des dynamischen RAM, wie beim vorigen Ausführungsbeispiel, erzeugte Steuersignal VCN&sub2; auf niedrigem Pegel ist, ist der Schaltungsbetrieb der folgende.When the control signal VCN₂ generated in combination with the detection output of the level detector circuit and the control signal of the dynamic RAM as in the previous embodiment is at low level, the circuit operation is as follows.

Die Ausgangssignale der Gatterstufe G&sub8; und der Inverterstufe IV&sub1;&sub7; sind unabhängig vom Ausgangssignal der Oszillatorschaltung OSC auf hohem Pegel. Der Kondensator befindet sich durch das Ausgangssignal hohen Pegels des Inverters IV&sub1;&sub7; im Ladezustand.The output signals of the gate stage G�8 and the inverter stage IV₁₇ are independent of the output signal of the oscillator circuit OSC is at high level. The capacitor is in the charging state by the high level output signal of the inverter IV₁₇.

Das Ausgangssignal des Inverters IV&sub1;&sub5; wird abhängig vom Ausgangssignal der Oszillatorschaltung OSC auf hohen oder niedrigen Pegel geladen. In diesem Zustand wird die den Kondensator C&sub5; und die MOSFETs Q&sub3;&sub7; und Q&sub3;&sub8; aufweisende Gleichrichterstufe betrieben, und die Sperrvorspannung -Vbb wird daraufhin dem Halbleitersubstrat zugeführt. Der MOSFET Q&sub3;&sub5; wird im wesentlichen im ausgeschalteten Zustand gehalten, da der am Knotenpunkt N&sub1; auftretende, maximale, positive Potentialpegel durch den MOSFET Q&sub3;&sub7; als Gleichrichterelement festgeklemmt wird.The output of the inverter IV₁₅ is charged to a high or low level depending on the output of the oscillator circuit OSC. In this state, the rectifier stage comprising the capacitor C₅ and the MOSFETs Q₃₇ and Q₃₈ is operated and the reverse bias voltage -Vbb is then supplied to the semiconductor substrate. The MOSFET Q₃₅ is kept essentially in the off state because the maximum positive potential level appearing at the node N₁ is clamped by the MOSFET Q₃₇ as a rectifying element.

Wenn das Steuersignal VCN&sub2; auf hohem Pegel ist, ist der Schaltungsbetrieb der folgende.When the control signal VCN₂ is at high level, the circuit operation is as follows.

Wenn das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub3; abhängig vom Ausgangssignal der Oszillatorschaltung OSC auf hohen Pegel angehoben wird, wird das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub5; daraufhin auf einen hohen Pegel angehoben, der im wesentlichen der Versorgungsspannung Vcc entspricht, während das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub7; auf einen niedrigen Pegel abgesenkt wird, der im wesentlichen 0 V entspricht. Da der Kondensator C&sub6; vorab geladen wird, wird der Knotenpunkt N&sub2; auf negatives Potential eingestellt, wenn das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub7; auf den niedrigen Pegel abgesenkt wird. Da sich der Knotenpunkt N&sub2; demgemäß auf negativem Potential befindet, wird der als Gleichrichterelement wirkende MOSFET Q&sub3;&sub5; leitend geschaltet. Im Ergebnis wird das durch den Kondensator C&sub6; gebildete negative Potential über den MOSFET Q&sub3;&sub5; auf den Knotenpunkt N&sub1; übertragen. Der Kondensator C&sub5; wird durch den von der Inverterstufe IV&sub1;&sub5; gebildeten hohen Pegel und durch das an den Knotenpunkt N&sub1; gelegte negative Potential auf einen so hohen Pegel geladen, daß die Versorgungsspannung Vcc überschritten wird. Anders gesagt, wird der Kondensator C&sub6; im wesentlichen als Bootstrapkondensator betrieben, und die Ladespannung des Kondensators C&sub5; ist der Verstärkungspegel.When the output of the inverter stage IV₁₃ is raised to a high level in response to the output of the oscillator circuit OSC, the output of the inverter stage IV₁₅ is then raised to a high level substantially corresponding to the power supply voltage Vcc, while the output of the inverter stage IV₁₇ is lowered to a low level substantially corresponding to 0 V. Since the capacitor C₆ is precharged, the node N₂ is set to a negative potential when the output of the inverter stage IV₁₇ is lowered to the low level. Since the node N₂ is accordingly at a negative potential, the MOSFET Q₃₅ acting as a rectifier element is turned on. As a result, the negative potential formed by the capacitor C₆ is applied to the node N₁ via the MOSFET Q₃₅. The capacitor C₅ is supplied by the high level formed by the inverter stage IV₁₅ and by the signal connected to the node N₁. is charged to such a high level that the supply voltage Vcc is exceeded. In other words, the capacitor C6 is essentially operated as a bootstrap capacitor and the charging voltage of the capacitor C5 is the gain level.

Nachfolgend wird dann, wenn das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub3; auf den niedrigen Pegel abgesenkt wird, das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub5; daraufhin auf den niedrigen Pegel abgesenkt, der im wesentlichen 0 V entspricht. Da der Kondensator C&sub5; vorab auf den Verstärkungspegel geladen wird, wird der Knotenpunkt N&sub1; auf den Abfall des Ausgangssignals der Inverterstufe IV&sub1;&sub5; auf den niedrigen Pegel auf ein starkes negatives Potential gesetzt. Das Potential dieses Knotenpunktes N&sub1; wird dem Halbleitersubstrat über den MOSFET Q&sub3;&sub8; zugeführt. Das Ausgangssignal der Inverterstufe IV&sub1;&sub7; wird abhängig vom Ausgangssignal niedrigen Pegels der Inverterstufe IV&sub1;&sub3; auf einen hohen Pegel angehoben, der im wesentlichen der Versorgungsspannung entspricht. Der MOSFET Q&sub3;&sub6; wird durch das über den Kondensator C&sub6; an den Knotenpunkt N&sub2; gelieferte positive Potential leitend geschaltet. Im Ergebnis wird der Kondensator C&sub6; erneut geladen.Subsequently, when the output of the inverter stage IV₁₃ is lowered to the low level, the output of the inverter stage IV₁₅ is then lowered to the low level, which is substantially equal to 0 V. Since the capacitor C₅ is precharged to the boost level, the node N₁ is set to a large negative potential upon the fall of the output of the inverter stage IV₁₅ to the low level. The potential of this node N₁ is supplied to the semiconductor substrate via the MOSFET Q₃₈. The output of the inverter stage IV₁₇ is raised to a high level, which is substantially equal to the supply voltage, in response to the low level output of the inverter stage IV₁₅. The MOSFET Q₃₆ is turned on by the positive potential supplied to the node N₂ via the capacitor C₆. As a result, the capacitor C₆ is recharged.

Die vorstehend beschriebenen Betriebsabläufe werden abhängig von der Änderung des Ausgangssignals der Inverterstufe IV&sub1;&sub3; wiederholt. Im Ergebnis wird im Halbleitersubstrat innerhalb einer Zeitspanne, in der sich das Steuersignal VCN&sub2; auf hohem Pegel befindet, ein großer Vorstrom zugeführt.The operations described above are repeated depending on the change in the output signal of the inverter stage IV₁₃. As a result, a large bias current is supplied in the semiconductor substrate during a period in which the control signal VCN₂ is at a high level.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die zwei relativ hohe Treiberkapazität aufweisenden zwei Inverterstufen IV&sub1;&sub5; und IV&sub1;&sub7; so betrieben, daß sie sich gegenseitig ergänzen, so daß der durch die Spannungsversorgungsverdrahtung innerhalb des RAM fließende Übergangsstrom verringert werden kann und dadurch Störsignale in der Spannungsversorgungsverdrahtung verringert werden können.According to this embodiment, the two inverter stages IV₁₅ and IV₁₇ having relatively high driving capacity are operated to complement each other, so that the transient current flowing through the power supply wiring within the RAM can be reduced, thereby suppressing noise in the power supply wiring can be reduced.

[Wirkungen][Effects]

(1) Die Betriebsabläufe der Oszillatorschaltung zum Bilden der Sperrvorspannung und die Gleichrichterstufe werden selektiv dadurch angehalten, daß der Pegel der Sperrvorspannung überwacht wird, so daß der Verbrauch im wesentlichen vergeudeten Stroms beschränkt werden kann. Im Ergebnis kann ein geringerer Stromverbrauch eines Halbleiterbauelements mit integrierter Schaltung mit eingebauter Substratsperrvorspannung-Erzeugungsschaltung erzielt werden.(1) The operations of the oscillator circuit for forming the reverse bias voltage and the rectifier stage are selectively stopped by monitoring the level of the reverse bias voltage, so that the consumption of substantially wasted power can be restricted. As a result, lower power consumption of a semiconductor integrated circuit device having a built-in substrate reverse bias voltage generating circuit can be achieved.

(2) Die vorliegende Erfindung ordnet eine Substratsperrvorspannung-Erzeugungsschaltung mit nur kleiner Stromversorgungskapazität, die einen Leckstrom in Zeitspannen des Nichtausgewähltseins kompensiert, und eine andere Substratsperrvorspannung-Erzeugungsschaltung an, die selektiv durch ein Pegelüberwachungsausgangssignal für die Substratsperrvorspannung betrieben wird. Darüber hinaus macht die Erfindung das Überwachungsausgangssignal ungültig, wenn die internen Schaltungen betrieben werden. Bei dieser Anordnung kann eine Substratsperrvorspannung mit im wesentlichem konstantem Pegel mit verringertem Leistungsverbrauch gebildet werden.(2) The present invention arranges a substrate reverse bias generating circuit having only a small power supply capacity which compensates for a leakage current in periods of non-selection and another substrate reverse bias generating circuit which is selectively operated by a level monitor output signal for the substrate reverse bias. Moreover, the invention invalidates the monitor output signal when the internal circuits are operated. With this arrangement, a substrate reverse bias of a substantially constant level can be formed with reduced power consumption.

(3) Dank der Wirkungen (1) und (2) kann der Stromverbrauch der Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung verringert werden, so daß die Dienstlebensdauer einer Batterie bei Batterieunterstützungsbetrieb verlängert werden kann.(3) Thanks to the effects (1) and (2), the power consumption of the substrate bias voltage generating circuit can be reduced, so that the service life of a battery in battery backup operation can be extended.

(4) Ein Pegelbegrenzungsbetrieb durch durch die p-Kanal- MOSFETs, deren Gates das Massepotential der Schaltung zugeführt wird, und durch die n-Kanal-MOSFETs in Diodenschaltung kann den Pegel einer negativen Spannung in bezug auf das Massepotential als Bezugsgröße ermitteln, wobei im wesentlichen die positive Versorgungsspannung Vcc alleine, bei einfachem Schaltungsaufbau, verwendet wird.(4) A level limiting operation by the p-channel MOSFETs whose gates are supplied with the ground potential of the circuit and by the n-channel MOSFETs in diode connection can limit the level of a negative voltage with respect to the Determine the ground potential as a reference value, whereby essentially the positive supply voltage Vcc alone is used, with a simple circuit design.

Obwohl die Erfindung auf diese Weise deutlich unter Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele derselben beschrieben wurde, ist sie nicht besonders darauf beschränkt, sondern kann selbstverständlich auf verschiedene Weise modifiziert oder geändert werden, ohne daß vom Wesentlichen derselben abgewichen wird. Z. B. kann bei solchen Halbleiterbauelementen mit integrierten Schaltungen, die durch Chipauswahlsignale in Betrieb gesetzt werden, wie bei RAMs, das Überwachungsausgangssignal für die Substratsperrvorspannung durch das Chipauswahlsignal statt durch das interne Steuersignal RAS&sub1; in der Schaltung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ungültig gemacht werden. Die Oszillatorschaltung, die durch Einschalten der Versorgungsspannung stationär betrieben wird, und ihre Gleichrichterstufe sind im wesentlichen nicht erforderlich.Although the invention has been clearly described in this way with reference to some preferred embodiments thereof, it is not particularly limited thereto, but can of course be modified or changed in various ways without departing from the essence thereof. For example, in such semiconductor devices having integrated circuits which are operated by chip select signals, such as RAMs, the substrate reverse bias monitor output signal can be invalidated by the chip select signal instead of the internal control signal RAS1 in the circuit of the embodiment shown in Fig. 2. The oscillator circuit which is operated in a stationary manner by switching on the supply voltage and its rectifier stage are essentially not required.

Der Schaltungsaufbau, bei dem die Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung in den Schaltungsteil mit Stationärbetrieb und den Schaltungsteil mit intermittierendem Betrieb unterteilt ist, ist aus dem Gesichtspunkt des Vermeidens einer unerwünschten Zunahme der Größen von Schaltungselementen erwünscht, die den Schaltungsteil mit intermittierendem Betrieb bilden. Falls erforderlich, können jedoch die Schaltung mit kleiner Stromversorgungskapazität und die Schaltung mit großer Stromversorgungskapazität selektiv betrieben werden. Mehrere Schaltungsteile mit intermittierendem Betrieb können angeordnet und individuell gesteuert werden.The circuit structure in which the substrate bias generating circuit is divided into the steady-state operation circuit part and the intermittent operation circuit part is desirable from the viewpoint of avoiding an undesirable increase in the sizes of circuit elements constituting the intermittent operation circuit part. However, if necessary, the small power supply capacity circuit and the large power supply capacity circuit may be selectively operated. A plurality of intermittent operation circuit parts may be arranged and individually controlled.

Bei der Erfindung bedeutet der Begriff "Substrat" der "Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung" einen Halbleiterbereich, wie das Substratgate eines Feldeffektelements, jedoch soll er nicht nur ein Halbleitersubstrat bedeuten. Wenn z. B. eine Speicherzelle in einem in der Oberfläche eines n-Halbleitersubstrats ausgebildeten p-Wannenbereichs ausgebildet ist, um den Softfehler (Fehler durch Fremdkörpereinwirkung) des Speichers zu verringern, wie er von α-Strahlung herrührt, und wenn die Sperrvorspannung dem p-Wannenbereich zugeführt wird, bedeutet der Begriff "Substrat" den p-Wannenbereich.In the invention, the term "substrate" of the "substrate bias voltage generating circuit" means a semiconductor region such as the substrate gate of a field effect element, but it shall not mean only a semiconductor substrate. For example, when a memory cell is formed in a p-well region formed in the surface of an n-type semiconductor substrate in order to reduce the soft error (error due to foreign matter) of the memory resulting from α-rays, and when the reverse bias voltage is applied to the p-well region, the term "substrate" means the p-well region.

Zusätzlich zur Verwendung der Blindzellen kann die Bezugsspannung zum Auslesen der den dynamischen RAM bildenden Speicherzellen durch Kurzschließen der komplementären Datenleitungen, die sich im Zustand hoher Impedanz auf hohem und niedrigem Pegel befinden, erzeugt werden, ohne daß Blindzellen verwendet werden. Die Bezugsspannung befindet sich in diesem Fall auf einem Zwischenpegel. Verschiedene andere Schaltungsaufbauten können darüber hinaus verwendet werden. Z. B. können periphere Schaltungen, wie die Adreßpuffer, die Adreßdecoder und dergleichen, durch statische CMOS-Schaltungen gebildet werden. Die X- und Y-Adreßsignale können von wechselweise unabhängigen, externen Anschlüssen zugeführt werden, und eine Detektorschaltung zum Ermitteln der Änderungszeitsteuerung des Adreßsignals wird angeordnet, um verschiedene Zeitsteuersignale zu erzeugen, wie sie für die Betriebsabläufe der internen Schaltungen erforderlich sind.In addition to using the dummy cells, the reference voltage for reading out the memory cells constituting the dynamic RAM can be generated by short-circuiting the complementary data lines which are at high and low levels in the high impedance state without using dummy cells. The reference voltage in this case is at an intermediate level. Various other circuit configurations can also be used. For example, peripheral circuits such as the address buffers, the address decoders and the like can be formed by static CMOS circuits. The X and Y address signals can be supplied from mutually independent external terminals, and a detector circuit for detecting the change timing of the address signal is arranged to generate various timing signals as required for the operations of the internal circuits.

Außer auf die oben beschriebenen Halbleiterspeicher, wie dynamische RAMs und statische RAMs, kann die vorliegende Erfindung weitgehend auf Halbleiterbauelemente mit integrierten Schaltungen angewendet werden, die mit einer eingebauten Substratvorspannung-Erzeugungsschaltung ausgestattet sind.In addition to the above-described semiconductor memories such as dynamic RAMs and static RAMs, the present invention can be widely applied to semiconductor integrated circuit devices equipped with a built-in substrate bias generating circuit.

Claims (20)

1. Integrierte Halbleiterschaltungsanordnung, umfassend1. Integrated semiconductor circuit arrangement comprising eine erste Schaltung mit Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (Qm) mit einem gemeinsamen Substratbereich, an dem eine Substratvorspannung (-Vbb) liegt, wobei der Betrieb der ersten Schaltung durch ein Steuersignal (RAS1) gesteuert wird, unda first circuit with insulated gate field effect transistors (Qm) having a common substrate region to which a substrate bias voltage (-Vbb) is applied, the operation of the first circuit being controlled by a control signal (RAS1), and eine Schaltung (Vbb-G) zur Erzeugung der Substratvorspannung (-Vbb), wobei die Stromausgangskapazität der diese Vorspannung erzeugenden Schaltung (Vbb-G) während der Periode, in der die erste Schaltung in Betrieb ist, aufgrund des Steuersignals (RAS1) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pegeldetektorschaltung (VLD) zur Erfassung des Pegels der Substratvorspannung (-Vbb) vorgesehen ist, wobei die Stromausgangskapazität auch aufgrund des Erfassungssignals der Pegeldetektorschaltung (VLD) geändert wird, unda circuit (Vbb-G) for generating the substrate bias voltage (-Vbb), the current output capacitance of the circuit (Vbb-G) generating this bias voltage being changed during the period in which the first circuit is in operation, based on the control signal (RAS1), characterized in that a level detector circuit (VLD) is provided for detecting the level of the substrate bias voltage (-Vbb), the current output capacitance also being changed based on the detection signal of the level detector circuit (VLD), and daß die die Substratvorspannung erzeugende Schaltung (Vbb-G) eine diese Vorspannung abgebende erste Gleichrichterstufe mit einem Kondensator (C1) und mehreren Gleichrichterelementen (Q18, Q19) sowie eine Steuerschaltung (G1) zur Steuerung von Impulssignalen umfaßt, die in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Pegeldetektorschaltung (VLD) und vom Steuersignal (RAS1) der ersten Gleichrichterstufe zugeführt werden.that the circuit generating the substrate bias voltage (Vbb-G) comprises a first rectifier stage which delivers this bias voltage and has a capacitor (C1) and several rectifier elements (Q18, Q19) as well as a control circuit (G1) for controlling pulse signals which are fed to the first rectifier stage as a function of the output signal of the level detector circuit (VLD) and the control signal (RAS1). 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die die Substratvorspannung erzeugende Schaltung (Vbb-G) eine periodische Impulssignale empfangende zweite Gleichrichterstufe mit einem Kondensator (C2) und mehreren Gleichrichterelementen (Q20, Q21) umfaßt.2. Arrangement according to claim 1, wherein the substrate bias generating circuit (Vbb-G) comprises a periodic pulse signal receiving second rectifier stage with a capacitor (C2) and several rectifier elements (Q20, Q21). 3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das der ersten Gleichrichterstufe zuzuführende Impulssignal auf einen derartigen Pegel gelegt ist, daß der Kondensator (C1) der ersten Gleichrichterstufe in einen Voraufladezustand gelangt, wenn das Steuersignal (RAS1) sich auf einem derartigen Pegel befindet, daß die erste Schaltung nicht in Betrieb ist.3. Arrangement according to claim 2, wherein the pulse signal to be supplied to the first rectifier stage is set to such a level that the capacitor (C1) of the first rectifier stage comes into a precharge state when the control signal (RAS1) is at such a level that the first circuit is not in operation. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die die Substratvorspannung erzeugende Schaltung (Vbb-G) eine erste Oszillatorschaltung (OSC2) zur Erzeugung von der zweiten Gleichrichterstufe zuzuführenden Impulssignalen und eine zweite Oszillatorschaltung (OSC1) umfaßt, deren Betrieb in Abhängigkeit von einem von der Steuerschaltung (G1) erzeugten Steuersignal gesteuert ist und die Impulssignale zur Zuführung an die erste Gleichrichterstufe erzeugt.4. Arrangement according to claim 2 or 3, wherein the substrate bias voltage generating circuit (Vbb-G) comprises a first oscillator circuit (OSC2) for generating pulse signals to be supplied to the second rectifier stage and a second oscillator circuit (OSC1) whose operation is controlled in dependence on a control signal generated by the control circuit (G1) and generates the pulse signals for supply to the first rectifier stage. 5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei die zweite Oszillatorschaltung (OSC1) einen Ringoszillator umfaßt, der aufgrund des Steuersignals (RAS1) eine Rückkopplungsschleife bildet.5. Arrangement according to claim 4, wherein the second oscillator circuit (OSC1) comprises a ring oscillator which forms a feedback loop based on the control signal (RAS1). 6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuerschaltung (G1) das Betriebssteuersignal erzeugt, um aufgrund dessen während der Periode, in der die erste Schaltung in Betrieb ist, sowie während der Periode, in der das Erfassungssignal erzeugt wird, die zweite Oszillatorstufe (OSC1) in Betrieb zu setzen.6. Arrangement according to claim 4 or 5, wherein the control circuit (G1) generates the operating control signal in order to set the second oscillator stage (OSC1) in operation as a result of this during the period in which the first circuit is in operation as well as during the period in which the detection signal is generated. 7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Pegeldetektorschaltung (VLD) eine Pegelschiebestufe (Q10...Q14), die bei Empfang der Substratvorspannung (-Vbb) eine bezüglich derselben im Pegel verschobene Ausgangsspannung erzeugt, sowie eine Pegeldiskriminatorstufe (Q15...Q17, IVo) umfaßt, die das Ausgangssignal der Pegelschiebestufe empfängt.7. Arrangement according to claim 6, wherein the level detector circuit (VLD) comprises a level shift stage (Q10...Q14) which, upon receipt of the substrate bias voltage (-Vbb), generates an output voltage which is level-shifted with respect to the same, and a level discriminator stage (Q15...Q17, IVo) which receives the output signal of the level shift stage. 8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Pegelschiebestufe mehrere Pegelschiebeelemente (Q12...Q14), deren jedes einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor in Diodenschaltung aufweist, wobei diese Transistoren in Serie liegen, sowie ein Vorspannungselement (Q10, Q11) umfaßt.8. Arrangement according to claim 7, wherein the level shift stage comprises a plurality of level shift elements (Q12...Q14), each of which Insulated gate field effect transistor in diode connection, these transistors being in series, and a bias element (Q10, Q11). 9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Pegeldiskriminatorstufe eine Hystereseschaltung (Q15...Q17, IVo) umfaßt.9. Arrangement according to claim 7 or 8, wherein the level discriminator stage comprises a hysteresis circuit (Q15...Q17, IVo). 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Oszillatorfrequenz der ersten Oszillatorschaltung (OSC2) niedriger ist als die der zweiten Oszillatorschaltung (OSC1).10. Arrangement according to one of claims 4 to 9, wherein the oscillator frequency of the first oscillator circuit (OSC2) is lower than that of the second oscillator circuit (OSC1). 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Schaltung einen Speicher (MARY) aufweist, dessen Betrieb von dem Steuersignal (RAS1) gesteuert ist.11. Arrangement according to one of claims 1 to 4, wherein the first circuit comprises a memory (MARY) whose operation is controlled by the control signal (RAS1). 12. Anordnung nach Anspruch 11, wobei der Speicher (MARY) einen dynamischen Random-Access-Speicher umfaßt und das Steuersignal (RAS1) ein Chip-Auswahlsignal (RAS1) ist.12. Arrangement according to claim 11, wherein the memory (MARY) comprises a dynamic random access memory and the control signal (RAS1) is a chip selection signal (RAS1). 13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei der dynamische Random- Access-Speicher (MARY) zu dem durch das Chip-Auswahlsignal (RAS1) bestimmten Zeitpunkt der Chipauswahl sowie zu dem von einem Auffrisch-Steuersignal (Φref) bestimmten Zeitpunkt eines Auffrischvorgangs in Betrieb gesetzt wird, und wobei die Steuerschaltung (G1) das Betriebssteuersignal, das die zweite Oszillatorschaltung (OS1) in Betrieb setzt, aufgrund des Chip- Auswahlsignals (RAS1) und des Auffrisch-Steuersignals (Φref) synchron mit dem Betriebszustand des dynamischen Random- Access-Speichers erzeugt.13. Arrangement according to claim 12, wherein the dynamic random access memory (MARY) is put into operation at the time of chip selection determined by the chip selection signal (RAS1) and at the time of a refresh process determined by a refresh control signal (Φref), and wherein the control circuit (G1) generates the operating control signal which puts the second oscillator circuit (OS1) into operation on the basis of the chip selection signal (RAS1) and the refresh control signal (Φref) synchronously with the operating state of the dynamic random access memory. 14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Steuerschaltung (G1) das Betriebssteuersignal erzeugt, um die zweite Oszillatorschaltung (OSC1) während der Periode, in der der dynamische Random-Access-Speicher (MARY) aufgrund des Chip-Auswahlsignals (RAS1) und des Auffrisch-Steuersignals (Φref) in Betrieb ist, sowie während der Periode, in der das Erfassungssignal von der Pegeldetektorschaltung (VLD) erzeugt wird, in Betrieb zu setzen.14. The arrangement according to claim 13, wherein the control circuit (G1) generates the operation control signal to operate the second oscillator circuit (OSC1) during the period in which the dynamic random access memory (MARY) is in operation due to the chip selection signal (RAS1) and the refresh control signal (Φref), as well as during the period in which the detection signal from the level detector circuit (VLD) into operation. 15. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die die Substratvorspannung erzeugende Schaltung (Vbb-G) eine gemeinsame Oszillatorschaltung (OSC) zur Erzeugung von der ersten und der zweiten Gleichrichterstufe (CPC2, CPC1) zuzuführenden Impulssignalen, die Steuerschaltung und die ersten und die zweite Gleichrichterstufe umfaßt, und wobei die Steuerschaltung eine Torschaltung (G7) aufweist, die den Betrieb der ersten Gleichrichterstufe (CPC2) inhibiert, wenn die erste Schaltung außer Betrieb ist.15. Arrangement according to claim 2, wherein the substrate bias generating circuit (Vbb-G) comprises a common oscillator circuit (OSC) for generating pulse signals to be supplied to the first and second rectifier stages (CPC2, CPC1), the control circuit and the first and second rectifier stages, and wherein the control circuit has a gate circuit (G7) which inhibits the operation of the first rectifier stage (CPC2) when the first circuit is out of operation. 16. Anordnung nach Anspruch 15, wobei die Torschaltung (G7) zwischen der Ausgangsklemme der Oszillatorschaltung (OSC) und der Eingangsklemme der ersten Gleichrichterstufe (CPC2) angeordnet ist und ihr Betrieb von dem Steuersignal gesteuert wird.16. Arrangement according to claim 15, wherein the gate circuit (G7) is arranged between the output terminal of the oscillator circuit (OSC) and the input terminal of the first rectifier stage (CPC2) and its operation is controlled by the control signal. 17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Torschaltung (G7) den Betrieb der ersten Gleichrichterstufe (CPC2) inhibiert, wenn die erste Schaltung außer Betrieb ist und wenn von der Pegeldetektorschaltung (VLD) das Erfassungssignal (GD) nicht erzeugt wird.17. Arrangement according to claim 15 or 16, wherein the gate circuit (G7) inhibits the operation of the first rectifier stage (CPC2) when the first circuit is out of operation and when the detection signal (GD) is not generated by the level detector circuit (VLD). 18. Anordnung nach Anspruch 17, wobei die Pegeldetektorschaltung (VLD) eine Pegelschiebestufe (Q26...Q29), die bei Empfang der Substratvorspannung (-Vbb) eine bezüglich derselben im Pegel verschobene Ausgansspannung erzeugt, sowie eine Pegeldiskriminatorstufe (IV10) aufweist, die das Ausgangssignal der Pegelschiebestufe empfängt.18. Arrangement according to claim 17, wherein the level detector circuit (VLD) has a level shift stage (Q26...Q29) which, upon receipt of the substrate bias voltage (-Vbb), generates an output voltage which is level-shifted with respect to the same, and a level discriminator stage (IV10) which receives the output signal of the level shift stage. 19. Anordnung nach Anspruch 18, wobei die Pegelschiebestufe mehrere Pegelschiebeelemente (Q27...Q29), deren jedes einen Isolierschicht-Feldeffekttransistor aufweist, wobei diese Transistoren in Serie liegen, sowie ein Vorspannungselement (Q26) umfaßt, das die Pegelschiebeelemente mit einem Vorstrom versorgt.19. Arrangement according to claim 18, wherein the level shift stage comprises a plurality of level shift elements (Q27...Q29), each of which comprises an insulated gate field effect transistor, said transistors being connected in series, and a bias element (Q26) which supplies the level shift elements with a bias current. 20. Anordnung nach Anspruch 2, wobei die die Substratvorspannung erzeugende Schaltung (Vbb-G) umfaßt:20. Arrangement according to claim 2, wherein the substrate bias generating circuit (Vbb-G) comprises: eine erste Gleichrichterstufe (C6, Q35, Q36) mit einem ersten Kondensator (C6), der den Voraufladepegel eines zweiten Kondensators (C5) erhöht, wenn die erste Gleichrichterstufe aufgrund des einer Torschaltung (G8) zugeführten Steuersignals (VCN2) in Betrieb gesetzt wird, unda first rectifier stage (C6, Q35, Q36) with a first capacitor (C6) which increases the precharge level of a second capacitor (C5) when the first rectifier stage is put into operation due to the control signal (VCN2) supplied to a gate circuit (G8), and eine zweite Gleichrichterstufe (C5, Q37, Q38), die den zweiten Kondensator (C5), der in Abhängigkeit von einem ersten Pegel eines periodischen Impulssignales voraufgeladen wird und in Abhängigkeit von einem zweiten Pegel dieses Impulssignals dem gemeinsamen Substratbereich an einem ersten Knotenpunkt (N1) ein Vorspannpotential zuführt, eine erste Schaltstufe (Q37), die mit dem ersten Knotenpunkt (N1) verbunden ist und einen Voraufladepfad für den zweiten Kondensator (C5) bildet, sowie eine zweite Schaltstufe (Q38) umfaßt, die zwischen dem ersten Knotenpunkt (N1) und dem gemeinsamen Substratbereich angeordnet ist und im wesentlichen komplementär zu der ersten Schaltstufe (Q37) arbeitet.a second rectifier stage (C5, Q37, Q38) comprising the second capacitor (C5) which is precharged in response to a first level of a periodic pulse signal and supplies a bias potential to the common substrate region at a first node (N1) in response to a second level of this pulse signal, a first switching stage (Q37) connected to the first node (N1) and forming a precharge path for the second capacitor (C5), and a second switching stage (Q38) arranged between the first node (N1) and the common substrate region and operating substantially complementarily to the first switching stage (Q37).
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