DE3924952A1

DE3924952A1 - Substratvorspannungsgenerator in einem dynamischen schreib-lese-speicher mit einer selbstauffrischfunktion und verfahren zum erzeugen einer substratvorspannung in einem derartigen speicher

Info

Publication number: DE3924952A1
Application number: DE3924952A
Authority: DE
Inventors: Masaki Kumanoya; Yasuhiro Konishi; Katsumi Dosaka; Takahiro Komatsu; Yoshinori Inoue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1990-03-01
Anticipated expiration: 2009-07-28
Also published as: DE3924952C2; US4961167A

Description

Die Erfindung betrifft einen Substratvorspannungsgenerator in einem dynamischen Schreib-Lese-Speicher nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Erzeugen einer Substratvorspannung in einem derartigen Speicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 18. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem System und mit einem Verfahren zum Vermindern der Leistungsaufnahme eines derartigen dyna mischen Schreib-Lese-Speichers. Genauer gesagt befaßt sich die Erfindung mit der Bauweise einer Substratvorspannungser zeugungsschaltung und mit einem Verfahren zum Erzeugen einer Vorspannung, wodurch das nötige Substratvorspannungspoten tial bei minimaler Leistungsaufnahme während des Auffrisch modus erzeugt werden kann.

In den letzten Jahren konnte eine erhebliche Verbreitung der Verwendung von Personal-Computern in vielfältigen Anwen dungsgebieten beobachtet werden. Unter den Personal-Compu tern sind insbesondere tragbare Modelle äußerst gefragt. In derartigen tragbaren Personal-Computern werden Speichergerä te mit niedriger Leistungsaufnahme mit einem Batteriereser vemodus benötigt.

Als derartige Speichergeräte werden üblicherweise dynamische Schreib-Lese-Speicher (DRAM) oder statische Schreib-Lese- Speicher (SRAM) eingesetzt. Von diesen Speichergeräten ar beitet das DRAM nach dem Prinzip des Ansammelns der Infor mationsladung in einem MOS-Kondensator. Ein MOS-Kondensator hat eine Metallschicht als Elektrode, eine Halbleiterschicht als andere Elektrode und einen zwischen diesen Schichten liegenden isolierenden Film als dielektrische Schicht. Je doch wird die in dem MOS-Kondensator angesammelte Ladung aufgrund von Leckstellen über den Übergang zwischen dem Halbleiterbereich, der als andere Elektrode dient, und dem Halbleitersubstart verloren, wodurch es erforderlich ist, die gespeicherte Information in bestimmten zeitlichen Ab ständen erneut einzuschreiben. Diese erneute Einschreibak tion ist als Auffrischen bekannt. Wenn ein DRAM als Speicher in einem tragbaren Personal-Computer verwendet wird, ist es nötig, das Auffrischen zu bestimmten Zeitabständen auch dann durchzuführen, wenn ein Batteriereservemodus vorliegt.

Die allgemeinen Auffrischbetriebsarten oder Auffrischmoden werden mit den Bezeichnungen "Nur-"-Auffrischen und "- vor-"-Auffrischen bezeichnet. Das "Nur-"-Auffrischen ist der Auffrischmodus, bei dem eine äußere Reihenadresse zum Auffrischen (Auffrischadresse) angelegt wird und der Pegel des Reihenadreßabtastsignales abgesenkt wird, um das DRAM in einen auswählbaren Zustand zu bringen. Bei die sem "Nur-"-Auffrischen wird das Spaltenadreßabtastsignal bei einem "H"-Pegel gehalten. Das "-vor-"-Auffri schen ist diejenige Auffrischbetriebsart, bei der vor dem Absenken des Pegels des Signales auf den "L"-Pegel das Signal zunächst auf den "L"-Pegel abgesenkt wird, so daß ein Auffrischbefehlssignal erzeugt wird, um eine automati sche Auffrischungsvorgehensweise in Abhängigkeit vom Signal zustand stattfinden zu lassen. Bei jeder dieser allgemeinen Auffrischbetriebsarten wird das Auffrischen unter zykluswei sen Steuerung von externen Taktsignalen durchgeführt, wie beispielsweise die Signale und . Daher würde die Ver wendung dieser allgemeinen Auffrischbetriebsarten während der Reservestromversorgung durch die Batterie eine kompli zierte Steuerung erforderlich machen, was als nicht wün schenswert anzusehen ist.

Um diese Nachteile zu überwinden, wurde ein DRAM vorge schlagen und zur Anwendung gebracht, welches derart aufge baut ist, daß ein Freigeben des Auffrischens gespeicherter Daten selbst in der Batteriereservebetriebsart auf einfache Weise ausgeführt werden kann. Dieses DRAM hat eine Auf frischadresse und eine Taktgeberschaltung für die Bezeich nung des Taktes des Auffrischens einer jeden Reihe, und weist eine Selbstauffrischfunktion in der Weise auf, daß Auffrischungen automatisch unter der Steuerung der Zeitge berschaltung ausgeführt werden. Obwohl dieses DRAM mit Selbstauffrischfunktion detailliert beschrieben ist in der Fachveröffentlichung Yamada et al., "A 64K bit MOS Dynamic RAM with Auto/Self Refresh Functions", The Transactions of the Institute of Electronics and Communication Engineers, Japan, Band J66-C, Nr. 1, Januar 1983, Seiten 62-69, wird nachfolgend dieses DRAM überblicksartig erläutert.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer typischen Bauweise des bekannten 64K bit DRAM mit Selbstauffrischfunktion. In dieser Figur sind lediglich die für die Auffrischfunktion bedeutsamen Elemente und Komponenten gezeigt. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, umfaßt das DRAM einen Speicherbereich 97 mit Speicherzellen, die in 256 (2⁸) Reihen × 256 (2⁸) Spalten angeordnet sind, einen Adreßpuffer 96, der ein Adreßsignal von einem Adreßmultiplexer 95 empfängt, dieses zeitweise hält und ein inneres Reihenadreßsignal erzeugt, und einen Reihendekoder 98, der in Reaktion auf das interne Reihen adreßsignal von dem Adreßpuffer 96 die entsprechende Reihe der Speichermatrix 97 auswählt. Der Adreßpuffer 96 führt ein 7-bit internes Adreßsignal RA 0-RA 6 dem Reihendekoder 98 zu. Obwohl dies nicht detailliert gezeigt ist, ist die Speichermatrix 97 in zwei Blöcke von jeweils 128 Reihen × 256 Spalten unterteilt, wobei aus diesen beiden Blöcken zwei Wortleitungen gleichzeitig durch das Signal RA 0-RA 6 ausge wählt werden, d. h. eine Wortleitung von jedem Block. Das höchstwertige Adreßsignal RA 7 von dem Adreßpuffer 96 wird als Blockauswahladreßsignal verwendet.

Der Adreßmultiplexer 95 empfängt ein Reihenadreßsignal A 0- A 7 von einem äußeren Gerät und ein Auffrischsignal Q 0-Q 6 von einem Auffrischadreßzähler 94 und führt jedes dieser Signale zum Adreßpuffer 96 unter Steuerung einer Auffrisch steuerung 92 zu. Als externe Adreßsignale an A 0-A 7 werden ein Reihenadreßsignal und ein Spaltenadreßsignal einer Zeit multiplexbetriebsweise unterwofen und zu dem Adreßmulti plexer 95 zugeführt.

Zum Zweck der Bezeichnung der Auffrischbetriebsart des DRAM beinhaltet der Speicher ferner einen Selbstauffrischbe triebsartdetektor 91, der ein Signal über eine Eingangs klemme 1 empfängt und erfaßt, ob oder ob nicht eine Angabe einer Auffrischbetriebsart vorliegt. Der Speicher beinhaltet ferner eine Auffrischsteuerung 92, die in Reaktion auf ein Ausgangssignal des Selbstauffrischbetriebsartdetektors 91 Signale zum Steuern der Aktionen des Adreßmultiplexers 95, des Auffrischadreßzählers 94 und des Zeitgebers 93 erzeugt. Der Adreßmultiplexer 95 führt in Reaktion auf ein Auffrisch befehlssignal von der Auffrischsteuerung 92 eine Auffrisch adresse Q 0-Q 6 von dem Auffrischadreßzähler 94 zu dem Adreßpuffer 96 zu.

Der Zeitgeber 93 erzeugt ausgangsseitig in Reaktion auf das Auffrischbefehlssignal Φ _T von der Auffrischsteuerung 92 ein Auffrischbetriebsartfreigabesignal Φ _R zu einem vorbestimmten Intervall. Der Auffrischadreßzähler 94 inkrementiert in Reaktion auf das Auffrischbetriebsartfreigabesiganal Φ _R von dem Zeitgeber 93 seinen Zählwert und führt dem Adreßmulti plexer 95 die Auffrischadresse Q 0-Q 6 entsprechend des Zählwertes unter der Steuerung des Auffrischzählers 92 zu. Die Betriebsweise des auf diese Weise aufgebauten DRAM wird nachfolgend kurz erläutert.

Das Signal wird einem Eingangsanschluß 2 zugeführt und bei "H"-Pegel (in einem standby-Zustand) gehalten. Das äußere Auffrischsignal , das dem Eingangsanschluß 1 zu geführt wird, hat den "L"-Pegel. In Reaktion auf diesen Zu stand erfaßt der Selbstauffrischbetriebsartdetektor 91, daß der Befehl für ein Auffrischen vorliegt, und erzeugt demge mäß ein Auffrischbefehlssignal Φ _S. In Reaktion auf dieses Auffrischbefehlssignal Φ _S führt der Adreßmultiplexer 95 die Auffrischadressen Q 0-Q 6 von dem Auffrischadreßzähler 94 zu dem Adreßpuffer 96 und der Steuerung der Auffrischsteuerung 92 zu. Der Adreßpuffer 96 erzeugt ein internes Auffrisch adreßsignal RA 0-RA 6 von der Auffrischadresse Q 0-Q 6 und führt diese zum Reihendekoder 98 zu. Der Reihendekoder 98 dekodiert die 7-bit Auffrischadresse Q 0 bis Q 6 und wählt eine der 128 Reihen in jedem Block der Speichermatrix 97 aus. Daraufhin wird ein Auffrischen der Daten in an sich üb licher Art in den Speicherzellen ausgeführt, die mit der ausgewählten Reihe verbunden sind.

Wenn das äußere Auffrischsignal bei einem "L"-Pegel län ger als eine vorbestimmte Zeitdauer (von maximal 16 Mikrose kunden) gehalten wird, wird die Bezeichnung der Selbstauf frischbetriebsart durch den Selbstauffrischbetriebsartdetek tor 91 erfaßt. In Reaktion auf diese Erfassung der Bezeich nung der Selbstauffrischbetriebsart hebt die Auffrischsteu erung 92 den Pegel des Signales Φ _T zum Treiben des Zeitge bers 93. In Reaktion auf dieses Zeitgeberstartsignal Φ _T er zeugt der Zeitgeber 93 ausgangsseitig ein Auffrischfreigabe signal Φ _R nach Verstreichen einer vorgegebenen Zeitdauer (maximal 16 Mikrosekunden) und führt dieses der Auffrisch steuerung 92 zu. In Reaktion auf dieses Auffrischfreigabe signal Φ _R führt die Auffrischsteuerung 92 eine Inkrementie rung des Zählwertes des Auffrischadreßzählers 94 aus. In Reaktion hierauf führt der Auffrischadreßzähler 94 dem Adreßmultiplexer 95 eine Auffrischadresse Q 0-Q 6 zu, die von der Auffrischadresse abweicht, die in dem vorhergehenden Auffrischzyklus erzeugt worden ist. Ähnlich wie in dem vor hergehenden Auffrischzyklus wird eine Reihe, die dieser neuen Auffrischadresse Q 0-Q 6 entspricht, in der Speicher matrix 97 ausgewählt, wobei die Daten der Speicherzellen, die an die neu ausgewählte Reihe angeschlossen sind, aufge frischt werden. Die Erzeugung des Auffrischfreigabesignals Φ _R durch den Zeitgeber 93 wird in sich wiederholender Weise bei einem vorbestimmten Zyklus so lange ausgführt, wie das äußere Auffrischsignal bei einem "L"-Pegel bleibt und das Signal bei einem "H"-Pegel bleibt. Daher werden in jedem Block der Speichermatrix 97 128 Wortleitungen der Reihe nach ausgwählt und die Daten in den Speicherzellen, die an die entsprechenden ausgewählten Wortleitungen ange schlossen sind, aufgefrischt. Im Beispielsfall eines 64K bit DRAM werden sämtliche Speicherzellen in der Speichermatrix 97 in einem Zyklus von 16 Mikrosekunden × 128 = ungefähr 2 Millisekunden aufgefrischt. Bei ausgeschalteter Netzlei stungsversorgung in der Batteriereservebetriebsart wird das Signal in Reaktion auf die Änderung der Versorgungslei stung auf einen niedrigen Pegel gebracht, woraufhin das obige Auffrischen durchgeführt wird.

Üblicherweise ist in dem obenbeschriebenen DRAM ein Sub stratvorspannungsgenerator zum Vermindern der parasitären Kapazität zwischen den DRAM-Schaltungselementen und dem Halbleitersubstrat, das das DRAM trägt, vorgesehen, um eine stabile Hochgeschwindigkeitsbetriebsart des DRAMs zu gewähr leisten. Daher ist das Halbleitersubstrat auf ein negatives Potential V _BB im Falle eines Substrates der p-Leitfähigkeit vorzuspannen, um die Übergangskapazität zwischen dem Halb leitersubstrat und dem Verunreinigungsbereich (source-drain- Bereiche) zu vermindern, um die Schwellenspannung der auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeten MOS-Transistoren zu stabilisieren und um die Erzeugung eines parasitären MOS- Transistors zu verhindern, welcher eine Signalleitungs schicht auf dem Feldisolationsfilm und dem Verunreinigungs bereich an der Oberfläche des Halbleitersubstrates umfaßt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Sub stratvorspannungsgenerators zur Verwendung in einem DRAM mit einer Selbstauffrischfunktion. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt der allgemein mit dem Bezugszeichen 41 bezeichnete Substratvorspannungsgenerator einen Ringoszillator 411, der ausgangsseitig ein Oszillatorsignal Φ _CP von vorbestimmter Frequenz erzeugt, einen Ladungspumpenkondensator C, der dieses Oszillationssignal von dem Ringoszillator 411 empfängt, einen n-Kanal MOS-Transistor Q 1, der zwischen einem Knoten N _B und dem Massepotential liegt und zum Klam mern des Potentials des Knotens N _B bei diesem Schwellen spannungspegel dient, und einen n-Kanal MOS-Transistor Q 2, der zwischen dem Knoten N _B und einem Ausgangsanschluß 412 liegt und zum Klammern des Knotens N _B auf einen Potential pegel dient, der durch die Differenz zwischen dessen Schwel lenspannung und dem Potential des Halbleitersubstrates fest gelegt ist.

Fig. 3 zeigt Signalverläufe zum Erläutern der Wirkungsweise des Substratvorspannungsgenerators gemäß Fig. 2. Der Betrieb des Substratvorspannungsgenerators wird kurz unter Bezugnah me auf die Fig. 2 und 3 erläutert.

Wenn das Oszillationssignal Φ _CP von dem Ringoszillator 411 auf "H"-Pegel steigt, beginnt das Potential des Knotens N _B auf den "H"-Pegel zu steigen, der dem Versorgungsspannungs pegel V _CC entspricht, was durch die kapazitive Kopplung durch den Kondensator C bewirkt wird. In Reaktion auf dieses Ansteigens des Potentials am Knoten N _B wird der MOS-Tran sistor Q 1 leitfähig. Das Potential an dessen Knoten N _B wird an den Schwellenspannungspegel V _{VT 1} des MOS-Transistors Q 1 geklammert. In diesem Zustand bleibt der MOS-Transistor Q 22 ausgeschaltet.

Daraufhin fällt das Potential am Knoten N _B durch kapazitive Kopplung durch den Kondensator C ab, da das Oszillations signal Φ _CP auf den "L"-Pegel abfällt. In Reaktion auf diesen Potentialabfall am Knoten N _B wird der MOS-Transistor Q 1 aus geschaltet, während der MOS-Transistor Q 2 eingeschaltet wird. Dies führt dazu, daß eine positive Ladung von dem Halbleitersubstrat zum Knoten N _B fließt. Wenn dieses Poten tial am Knoten N _B einen Wert erreicht, der der Differenz zwischen dem Halbleitersubstratpotential V _BB und der Schwel lenspannung V _{T 2} des MOS-Transistors Q 2 entspricht, wird der MOS-Transistor Q 2 nichtleitend, so daß die Ladungsbewegung angehalten wird. Durch diesen einen Zyklus des Ansteigens und Abfallens des Oszillationssignal Φ _CP wird das Potential auf dem Halbleitersubstrat lediglich geringfügig abgesenkt. Da jedoch dieser gleiche Zyklus vielfach wiederholt wird, fällt die Halbleitersubstratspannung V _BB schrittweise ab, bis ein bestimmtes negatives Potential entsteht. Bei einer Versorgungsspannung von V _CC beträgt die Vorspannung von V _BB dieses Halbleitersubstrates V _{T 1} + V _{T 2} - V _CC unter idealen Umständen und hat im allgemeinen einen Wert von ungefähr minus 3 Volt.

Aus der obigen Beschreibung ist es offensichtlich, daß bei dem bekannten dynamischen Schreib-Lese-Speicher der Sub stratvorspannungsgenerator konstant arbeitet und ständig Leistung verbraucht, unabhängig davon, ob der normale Be triebszustand oder Selbstauffrischbetriebszustand vorliegt. Jedoch werden während des Selbstauffrischbetriebszustandes andere Handlungen als das Auffrischen, wie beispielsweise das Schreiben und Lesen von Daten und die Auswahl von Spal ten, nicht ausgeführt. Daher ist der zum Halbleitersubstrat fließende Halbleiterleckstrom (der während des Schaltungs betriebes erzeugte Gesamtstrom) kleiner in der Selbstauf frischungsbetriebsart als in der normalen Betriebsart. Da rüberhinaus ist die Größe des Leckstromes in der Selbst auffrischungsbetriebsart vorhersagbar. Daher wird die Lei stungsaufnahme während der Selbstauffrischungsbetriebsart oder während der Batteriereservebetriebsart minimiert. Das bekannte DRAM hat dagegen den Nachteil, daß der Substratvor spannungsgenerator während der Selbstauffrischbetriebsweise die gleiche Leistung wie während der normalen Betriebsweise oder der Auffrischbetriebsweise verbraucht.

Weiterhin offenbart die japanische Patentveröffentlichung KOKAI 59688/1986 eine RAM-Bauweise mit einem Paar Substrat vorspannungsgeneratoren mit unterschiedlichen Vorspannungs kapazitäten, wobei der Substratvorspannungsgenerator mit der höheren Vorspannungskapazität in der Selbstauffrischbe triebsweise betrieben wird. Jedoch wird auch bei dieser Bauweise der Substratvorspannungsgenerator mit der größeren Vorspannungskapazität ständig in der Auffrischbetriebsart betrieben, was zu einer unnötigen Leistungsaufnahme führt.

Wiederum ein weiteres DRAM mit Selbstauffrischfunktion ist beschrieben in der Fachveröffentlichung Taniguchi et al, "Fully Boosted 64k Dynamic RAM with Automatic and Self- Refresh", IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-16, Nr. 5, Oktober 1981, Seiten 492-498. Diese Literaturstelle beinhaltet keine Diskussion bezüglich des Themas der Lei stungsvergeudung durch den Substratvorspannungsgenerator.

In Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen dynamischen Schreib-Lese-Speicher nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 18 so weiterzubilden, daß eine reduzierte Lei stungsaufnahme in der Selbstauffrischbetriebsweise oder Batteriereservebetriebsweise erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen dynamischen Schreib-Lese- Speicher mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 18 an gegebenen Merkmalen gelöst.

Der erfindungsgemäße dynamische Schreib-Lese-Speicher mit Selbstauffrischfunktion hat einen verbesserten Substratvor spannungsgenerator, der die nötige Substratvorspannung bei niedriger Leistungsaufnahme in der Selbstauffrischbetriebs weise erzeugt.

Bei dem erfindungsgemäßen dynamischen Halbleiterspeicher ist der Substratvorspannungsgenerator zur Erzeugung einer Sub stratvorspannung bei minimaler Leistungsaufnahme in genauer Abhängigkeit von dem Halbleitersubstratpotential in der Selbstauffrischbetriebsweise in der Lage.

Der erfindungsgemäße dynamische Schreib-Lese-Speicher ent hält eine Schaltung zum Erzeugen eines inneren Auffrischbe fehlssignales in Reaktion auf ein äußeres Auffrischbefehls signal, eine Schaltung, die in Reaktion auf das innere Auf frischbefehlssignal ein Auffrischfreigabesignal erzeugt, das eine bestimmte Pulsbreite in einem vorbestimmten Zyklus hat, eine Schaltung zum Anlegen einer Substratvorspannung an das Halbleitersubstrat und eine Schaltung, die in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal und das Auffrischfreigabe signal eine Substratvorspannungsschaltung während einer Zeitdauer aktiviert, die kürzer als ein Zyklus des Auf frischfreigabesignales ist.

Vorzugsweise umfaßt die Substratvorspannungsschaltung ein Paar von Substratvorspannungsanbringungsvorrichtungen mit verschiedenen Vorspannkapazitäten, einen Substratpotential detektor und eine Schaltung, die in Reaktion auf das erfaßte Substratpotential ein Aktivierungssignal an eine der Sub stratvorspannungsanbringungsvorrichtungen anliegt.

Vorzugsweise hat der Substratpotentialdetektor einen Eingang mit hoher Eingangsimpedanz und erfaßt das Substratpotential durch diesen Eingang.

Das Verfahren zum Anlegen der Substratvorspannung in dem dynamischen Schreib-Lese-Speicher gemäß der vorliegenden Er findung umfaßt einen Verfahrensschritt des Erzeugens eines inneren Auffrischbefehlssignales in Reaktion auf ein äußeres Auffrischbefehlssignal, einen Schritt des Erzeugens eines Auffrischfreigabesignales in einem vorbestimmten Zyklus in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal, und einen Schritt des Anlegens eines Substratvorspannungspotentiales an das Halbleitersubstrat während einer Zeitdauer, die kürzer als ein Zyklus des Auffrischfreigabesignales ist, in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal und das Auf frischfreigabesignal.

Der Schritt des Anlegens einer Vorspannung an das Halblei tersubstrat beinhaltet einen Schritt des Anlegens des Vor spannungspotentiales lediglich für eine Zeitdauer, die kürzer als die Pulsbreite des Auffrischfreigabesignales ist.

Vorzugsweise beinhaltet der Vorspannungsanlegungsschritt einen Schritt des Erfassens des Potentiales des Halbleiter substrates und einen Schritt des Aktivierens des Vorspan nungsgenerators mit einer Vorspannungskapazität entsprechend des erfaßten Substratpotentiales.

Vorzugsweise umfaßt der Substratpotentialerfassungsschritt einen Schritt des Erfassens des Potentiales des Halbleiter substrates durch eine hohe Eingangsimpedanz.

Bei dem erfindungsgemäßen dynamischen Schreib-Lese-Speicher kann die Leistungsaufnahme in der Substratvorspannungsschal tung erheblich vermindert werden, da diese nur für einen be stimmten Teil der Auffrischwirkungszykluszeit aktiviert wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bauweise eines Hauptteiles des bekannten dynamischen Schreib-Lese- Speichers;

Fig. 2 ein Diagramm eines Ausführungsbeispieles des Sub stratvorspannungsgenerators, der in dem dynamischen Schreib-Lese-Speicher gemäß. Fig. 1 Einsatz findet;

Fig. 3 ein Signalformdiagramm zum Erläutern der Wirkung des in Fig. 2 gezeigten Substratvorspannungsgenerators;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm des Hauptteiles des dynamischen Schreib-Lese-Speichers gemäß den Prinzi pien der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispieles des Selbstauffrischbetriebs artdetektors gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungs beispieles des Selbstauffrischbetriebsartdetektors gemäß Fig. 1;

Fig. 7 ein Signalformdiagramm der Arbeitsweise des in Fig. 6 gezeigten Selbstauffrischbetriebsartdetektors;

Fig. 8 eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Zeitgebers 93 gemäß Fig. 4;

Fig. 9A und 9B Signalformdiagramme des Betriebes des in Fig. 8 gezeigten Zeitgebers;

Fig. 10 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Steuerung für die intermittierende Betriebsweise;

Fig. 11A Signalformdiagramme zum Darstellen der Arbeitsweise der Steuerung für die intermittierende Betriebsweise gemäß Fig. 10;

Fig. 12 eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungs beispieles des Substratsvorspannungsgenerators gemäß Fig. 4;

Fig. 13 eine diagrammartige Darstellung des Ausführungs beispieles des Ringoszillators gemäß Fig. 12;

Fig. 14A und 14B Diagramme zum Darstellen der Zeitbeziehung des Wortleitungsaktivierungssignales mit der Arbeits weise des Substratvorspannungsgenerators in der Selbstauffrischbetriebsart, wobei Fig. 14A den Ablauf der Arbeitsweise des Substratsvorspannungs generators nach dem Stand der Technik und Fig. 14B den Ablauf der Arbeitsweise des Substratvorspan nungsgemerators gemäß der Erfindung zeigt;

Fig. 15 eine diagrammartige Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles des in dem Substratvorspan nungsgenerator verwendeten Ringoszillators;

Fig. 16 eine Darstellung der Bauweise einer Steuerung für die intermittierende Betriebsweise eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung;

Fig. 17 ein Signalformdiagramm der Arbeitsweise der in Fig. 16 gezeigten Steuerung;

Fig. 18 eine Darstellung der Arbeitsweise des Ringoszil lators des Substratvorspannungsgenerators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 19 eine Darstellung wiederum einer anderen Version des in Fig. 4 gezeigten Substratvorspannungsgenerators;

Fig. 20 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles des Substratvorspannungspotentialdetektors gemäß Fig. 19;

Fig. 21 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles der schaltenden Schaltung gemäß Fig. 19;

Fig. 22 ein Signalformdiagramm der Arbeitsweise der in Fig. 21 gezeigten schaltenden Schaltung;

Fig. 23 eine Darstellung wiederum eines anderen Ausfüh rungsbeispieles des Substratvorspannungsgenerators gemäß Fig. 4;

Fig. 24 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Auswahlsteuerung gemäß Fig. 32;

Fig. 25 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles des Bezugspotentialgenerators gemäß Fig. 24;

Fig. 26 eine Darstellung der Beziehung zwischen dem Subs tratvorspannungspotentialgenerator, an den das Bezugspotential von dem Bezugspotentialgenerator angelegt wird, und dem Halbleitersubstrat, an das das Substratvorspannungspotential angelegt wird;

Fig. 27 ein Signalformdiagramm der Arbeitsweise der selek tiven Steuerung gemäß Fig. 24;

Fig. 28 eine Darstellung des weiteren Ausführungsbeispieles der in Fig. 23 gezeigten selektiven Steuerung;

Fig. 29 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Flip-Flop gemäß Fig. 28;

Fig. 30 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Pufferschaltung gemäß Fig. 28;

Fig. 31 eine Darstellung eines Ausführungsbeispieles des Bezugspotentialgenerators gemäß Fig. 24 und 28;

Fig. 32 eine Darstellung wiederum eines anderen Ausfüh rungsbeispieles einer Vorspannungsschaltung gemäß den Fig. 19 und 23.

Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm der Bauweise eines dynamischen Schreib-Lese-Speichers gemäß einem Aus führungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 4 sind eine Auf frischschaltung und eine Substratvorspannungserzeugungs schaltung eines 4Mbit (2² × 2²⁰) DRAM gezeigt.

Wie in Fig. 4 zu sehen ist, beinhaltet dieser dynamische Schreib-Lese-Speicher eine Speichermatrix 97 von 2048 (2¹¹) Speicherzellen in einer Matrixanordnung. Die Speichermatrix 97 ist in zwei Blöcke unterteilt. Jeder Block hat 1024 × 2048 Speicherzellen. Zum Auswählen einer Reihe aus der Spei chermatrix 97 sind ein Adressmultiplexer 95 zum selektiven Durchlassen entweder eines äußeren Adreßsignales A 0 bis A 10 oder eines Auffrischadreßsignales Q 0 bis Q 9 von einem Auffrischadreßzähler 94, ein Adreßpuffer 96 zum Empfangen eines Adreßsignales von dem Adreßmultiplexer 95 und zum Erzeugen eines inneren Reihenadreßsignales RA 0 bis RA 10 und ein Reihendekoder zum Dekodieren des 10-bit internen Adreßsignales RA 0 bis RA 9 von dem Adreßpuffer 96 und zum Auswählen einer entsprechenden Reihe aus der Speichermatrix 97 vorgesehen. Durch die Adreßsignale RA 0 bis RA 9 werden eine Wortleitung von jedem Block oder gleichzeitig zwei Wortleitungen aus der gesamten Matrix ausgewählt. Das höchstwertige Reihenadreßsignal RA 10 von dem Adreßpuffer 96 wird als Adreßsignal für die Blockauswahl verwendet.

Zum Auffrischen des Schreib-Lese-Speichers beinhaltet dieser einen Selbstauffrischbetriebsartdetektor 91, der in Reaktion auf ein äußeres Auffrischsignal und ein Reihenadreß abtastsignal an dessen Eingangsanschlüssen 1 und 2 er mittelt, ob ein Selbstauffrischen bezeichnet worden ist. Wenn eine derartige Bezeichnung vorliegt, wird ausgangssei tig ein internes Selbstauffrischbefehlssignal Φ _S erzeugt. Eine Auffrischsteuerung 92 treibt in Reaktion auf das interne Selbstauffrischbefehlssignal Φ _S von dem Selbstauf frischbetriebsartdetektor 91 einen Zeitgeber 93 und einen Auffrischadreßzähler 94. Der Zeitgeber wird in Reaktion auf das Zeitgeberstartsignal Φ _S von der Auffrischsteuerung 92 betrieben und erzeugt ausgangsseitig ein Auffrischfreigabe signal in einem vorbestimmten Zyklus. Der Zeitgeber 93 wird durch das Auffrischbefehlssignal (Zeitgeberstartsignal) Φ _T von der Auffrischsteuerung 92 betrieben und legt ein Auffrischfreigabesignal Φ₂ an die Auffrischsteuerung 92 und an die Steuerung 99 für die intermittierende Betriebsweise zu jeder vorgegebenen Zeit T (von maximal 16 Mikrosekunden) an, während das Signal Φ _T in seinem aktiven Zustand bleibt. Das Signal Φ _T wird aktivgeschaltet, wenn das Signal Φ _S länger als eine vorbestimmte Zeitdauer aktiv geblieben ist.

In Reaktion auf das Auffrischfreigabesignal Φ _R von dem Zeitgeber 93 und unter der Steuerung der Auffrischsteuerung 92 inkrementiert der Auffrischadreßzähler 94 seinen Zählwert. Ferner bewirkt die Auffrischsteuerung 92 in Reaktion auf das interne Selbstauffrischbefehlssignal Φ _S von dem Selbstauffrischbetriebsartdetektor 91, das der Adreß multiplexer 95 das Auffrischadreßssignal Q 0 bis Q 9 von dem Auffrischadreßzähler 94 auswählt.

Zum Anlegen einer nötigen Vorspannung an das Halbleiter substrat beinhaltet das DRAM eine Steuerung 99 für die intermittierende Betriebsweise, die in Reaktion auf das innere Selbstauffrischbefehlssignal Φ _S von dem Selbstauf frischbetriebsartdetektor 91 und das Auffrischfreigabesignal Φ _R von dem Zeitgeber 93 ein Aktivierungssignal Φ _C mit vor bestimmter zeitlicher Breite erzeugt, sowie einen Substrat vorspannungsgenerator 100, der in Reaktion auf ein Steuer signal Φ _C von der Steuerung 99 für die intermittierende Betriebsweise aktiviert wird und eine nötige Vorspannung an das Halbleitersubstrat anlegt.

Jedesmal wenn bei der Schaltung mit der obigen Bauweise das Auffrischfreigabesignal Φ _R erzeugt wird, inkrementiert der Auffrischadreßzähler 94 einen Zählwert und erzeugt ausgangs seitig ein Auffrischadreßsignal Q 0 bis Q 9 entsprechend seines Zählwertes. Dieses Auffrischadreßsignal Q 0 bis Q 9 wird einem Reihendekoder 98 über den Adreßmultiplexer 95 und einen Adreßpuffer 96 zugeführt. Der Reihendekoder 98 deko diert dieses 10-bit Auffrischadreßsignal Q 0 bis Q 9 (20 bits für das interne Adreßsignal RA 0 bis RA 9, falls dies als komplimentäre Daten vorliegt) und wählt die entsprechende Reihe von jedem Block der Speichermatrix 97 aus. Daraufhin werden die Daten in den Speicherzellen, die an diese aus gewählte Wortleitungen angeschlossen sind, aufgefrischt. Daher werden in der Selbstauffrischbetriebsweise die Daten in sämtlichen Speicherzellen innerhalb der Speichermatrix 97 in einem Zyklus von 16 Mikrosekunden × 1024 = ungefähr 16 ms aufgefrischt. Während bei dieser Selbstauffrischbetriebsart das Signal , das den Standby- und Betriebs-Zustand des DRAM bestimmt, einen "H"-Pegel hat, und das innere Auffrischsignal sich bei dem "L"-Pegel befindet, sind die Wortleitungen in der Speichermatrix 97 der Reihe nach in Reaktion auf die Auffrischadreßsignale Q 0 bis Q 9 ausgewählt, um die gespeicherten Daten aufzufrischen.

Fig. 5 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel des Selbst auffrischbetriebsartdetektors 91. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, beinhaltet der Detektor 91 einen Inverter 911, der das äußere Auffrischsignal empfängt, das dem Eingangsan schluß 1 zugeführt wird. Zwischen dem Eingangsanschluß 1 und dem Eingang des Inverters 911 ist ein Hochziehwiderstand R _S mit hohem Widerstandswert. Wenn bei einer Schaltung mit dieser Bauweise das äußere Auffrischsignal auf den "H"-Pegel gebracht wird oder wenn der entsprechende Stift sich in einem "offenen" Zustand befindet, steigt der Eingang des Inverters 911 auf den Versorgungsspannungspegel V _CC durch den Hochziehwiderstand R _S, sodaß der Ausgang Φ _S des Inverters 911 auf den "L"-Pegel fällt. Wenn das äußere Auf frischsignal sich bei dem "L"-Pegel befindet, erzeugt der Inverter 911 ausgangsseitig ein "H"-Pegel-Ausgangssignal Φ _S. Durch diese Anordnung kann ein internes Auffrischbe fehlssignal Φ _S, das die Selbstauffrischbetriebsweise be zeichnet, in Reaktion auf das äußere Auffrischsignal er zeugt werden. Wenn das Signal Φ _S bei dem "H"-Pegel länger als eine vorbestimmte Zeitdauer bleibt, wird die Selbstauf frischbetriebsart erfaßt und das Signal Φ _S steigt an.

Fig. 6 ist eine Darstellung der Bauweise des DRAM, wobei anstatt des Vorsehens einer bestimmten Eingangsklemme oder eines bestimmten Eingangsanschlusses für das Auffrischbe fehlssteuersignal die Selbstauffrischbetriebsart unter Verwenden des äußeren Reihenadreßabtastsignales und des Spaltenadreßabtastsignales erfaßt wird, wobei diese Signale in dem üblichen DRAM verwendet werden. Bei der in Fig. 6 gezeigten Bauweise beinhaltet der Selbstauffrisch betriebsartdetektor 91 ein Flip-Flop 921 mit einem Setzein gang S, der das Signal über einen Eingangsanschluß 2 empfängt, und mit einem Rücksetzeingang R, der das Signal über einen Eingangsanschluß 3 empfängt, einen Komparator 922, der ein Signal CbR von der Ausgangsstelle Q des Flip-Flop 921 empfängt, und einen Zeitgeber 923, der in Reaktion auf ein Aktivierungssignal von dem Komparator 922 startet und eine vorgegebene Zeit zählt. Der Zeitgeber 923 wird durch den Komparator 922 in Reaktion auf eine Ver schiebung des Signals CbR in den aktiven Zustand gestartet. In Reaktion auf die Zählinformation von dem Zeitgeber 923 hebt der Komparator 922 das innere Auffrischbefehlssignal Φ _S an, wenn das Signal CbR in dem "H"-Pegel, welches der aktivierte Pegel ist, länger als eine vorbestimmte Zeitdauer bleibt.

Die Wirkung des Selbstauffrischbetriebsartdetektors 91, die in Fig. 6 gezeigt ist, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf das Signalformdiagramm von Fig. 7 erläutert.

Bei dieser Bauweise wird die Erfassung des Selbstauf frischens durch Herabziehen des Signales auf "L" durch geführt, während das Signal den "H"-Pegel hat. In dieser "-vor-"-Auffrischbetriebsart wird das Flip-Flop 921 gesetzt und dessen Ausgangssignal CbR auf den "H"-Pegel angehoben. In der Reaktion auf diese Verschiebung des Signales CbR auf den "H"-Pegel wird der Zeitgeber 923 durch den Komparator 922 gestartet und zählt eine vorgegebene Zeitdauer T′. Der Komparator 922 erzeugt ausgangsseitig ein "H"-Pegelsigal Φ _S, wenn das Signal CbR ständig bei dem "H"-Pegel bei Ablauf des Zeitgebers 923 (mit Verstreichen der vorgegebenen Zeit) bleibt. Dieser "H"-Pegel des Signales CbR hält an, wenn das Signal bei dem "L"-Pegel bleibt und wenn während dieser Zeit "H"-Pegelsignal Φ _S erzeugt wird. Wenn der Pegel des Signales "H" wird, wird das Flip-Flop 921 rückgesetzt. Der Pegel seines Ausgangssignales CbR wird "L", was zum Ergebnis hat, daß das Signal Φ _S von dem Komparator 922 gleichfalls "L" wird. Die Auffrischbe triebsweise ist hierdurch abgeschlossen.

Fig. 8 ist eine diagrammartige Darstellung der Bauweise des Zeitgebers gemäß Fig. 4. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, umfaßt der Zeitgeber 93 einen Ringoszillator 93-1, der aktiviert wird und in Reaktion auf ein Signal Φ _T von der Auffrisch steuerung 92 oszilliert, einen Pufferschaltung 93-2, die eine Signalformung des Oszillatorsignales des Oszillators 93-1 durchführt, und eine Zählerschaltung 93-3, die das Pulssignal von dem Puffer 93-2 zählt und bei jedem vorbestimmten Zählwerk ein Auffrischfreigabesignal Φ _B er zeugt.

Der Ringoszillator 93-1 umfaßt sechs serielle Stufen von Invertern I 1 bis I 6 und ein NAND-Gate N 1, das den Ausgang von dem Inverter I 6 an einem seiner Eingänge empfängt, und das ein Treibersignal Φ _T von der Auffrischsteuerung 92 an seinem anderen Eingang empfängt. Der Ausgang des NAND-gates N 1 wird dem Puffer 93-2 zugeführt und gleichzeitig zum Eingang des Inverters I 1 der ersten Stufe rückgeführt.

Der Puffer 93-2 umfaßt vier serielle Inverterstufen I 7 bis I 10. Durch diesen Puffer 93-2 wird eine mangelhafte Signal form des Oszillatorsignalausganges des Ringoszillators 93-1 korrigiert. Der Inverter I 10 erzeugt ausgangsseitig ein Oszillationssignal Φ _r. Der Inverter I 11 invertiert dieses Ausgangssignal des Inverters I 10 und erzeugt ausgangsseitig ein invertiertes Ausgangssignal . Diese komplimentären Oszillationssignale Φ _r und werden der Zählerschaltung 93-3 zugeführt. Die Zählerschaltung 93-3 hat vier Stufen von Binärzählern BC 1 bis BC 4, die in Reihe geschaltet sind. Jeder der Binärzähler BC 1 bis BC 4 teilt die Frequenz der den Eingängen I, zugeführten Signale durch zwei und erzeugt ausgangsseitig das Ergebnis. Die Operation einer jeden Komponente wird nachfolgend erläutert.

Zunächst wird die Wirkung oder Arbeitsweise des Ringoszil lators 93-1 nachfolgend unter Bezugsnahme auf Fig. 9A er läutert, die ein Signalformdiagramm dieses Oszillators zeigt. Wenn die Treibersignale Φ _T von der Auffrischsteuerung 92 bei "L"-Pegel sind und keine Selbstauffrischbetriebsart erfaßt ist, ist der Ausgang des NAND-Gates N 1 auf einem konstanten "H"-Pegel. In diesem Fall oszilliert der Ring oszillator 93-1 nicht.

Wenn dann das Signal Φ _S bie dem "H"-Pegel länger als eine vorgegebene Zeitdauer T 11 bleibt, wird die Selbstauffrisch betriebsart erfaßt, woraufhin das Treibersignal Φ _T auf den "H"-Pegel ansteigt, wobei das NAND-Gate N 1 als Inverter arbeitet. Daher werden die Inverter I 1 bis I 6 und das NAND-Gate N 1 equivalent zu einem 7-stufigen Inverter, so daß der Ringoszillator 93-1 zu oszillieren beginnt. Dieses Oszillationssignal von dem Ringoszillator 93-1 wird der Pufferschaltung 93-2 zugeführt, in der das Signal geformt wird. Die auf diese Weise geformten komplementären Oszil lationssignale Φ _R, werden zur Zählerschaltung 93-3 zugeführt.

Die binären Zähler BC 1 bis BC 3 in der Zählerschaltung 93-3 führen die Zählbetriebsweise gemäß Fig. 9B durch. Daher erzeugt der Binärzähler BC 1 ausgangsseitig ein Ausgangs signal O 1, daß auf einen "H"-Pegel bei jedem zweiten Schwingungssignal Φ _R ansteigt. Daher hat der Ausgang des Binärzählers BC 1 ein Signal mit einem Tastverhältnis oder Lastverhältnis von 50 (%) und einem Zyklus von zwei Mikro sekunden, wenn der Zyklus des Signales Φ _r eine Mikrosekunde ist. Ähnlich erzeugt der Binärzähler BC 2 ein Ausgangssignal O 2 mit einem Tastverhältnis oder Lastverhältnis von 50 (%) und einem Zyklus von 4 Mikrosekunden. Der Binärzähler BC 3 erzeugt ein Ausgangssignal O 3 mit einem Zyklus von Mikro sekunden bei einem Tastverhältnis oder Lastverhältnis von 50 (%). Als Ergebnis erzeugt der Binärzähler BC 4 ausgangs seitig ein Auffrischfreigabesignal Φ _R mit einem Tastver hätnis oder Lastverhältnis von 50% und einem Zyklus von 16 Mikrosekunden. Wenn das Auffrischfreigabesignal Φ _R den "H"-Pegel beibehält wird automatisch eine Auffrischoperation ausgeführt.

Wenn dies nötig ist, kann ein Rücksetzsignal RESET in jedem Binärzähler BC 1 bis BC 4 verwendet werden. Deren Zählwerk kann auf einen gewünschten Wert rückgesetzt werden.

Fig. 10 ist eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Steuerung für die Intermittierung für die Betriebsweise gemäß Fig. 4. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, umfaßt die Steuerung für die intermittierende Betriebs weise einen monostabilen Multivibrator 99-1, der in Reaktion auf das Auffrischfreigabesignal Φ _R von dem Zeitgeber 93 aus gangsseitig einen Puls des Pulssignales Φ _TS erzeugt, und enthält ferner ein Flip-Flop 99-2, daß in Reaktion auf den Puls des Pulssignales Φ _TS von dem monostabilen Multivibrator 99-1, das Selbstauffrischbefehlsignals Φ _S, von dem Auffrischbetriebsartdetektors 91 und das invertierte Oszil lationssignals von dem Zeitgeber 93 ausgangsseitig ein Signal Φ _C zum Steuern der Arbeitsweise des Substratvor spannungsgenerators 100 erzeugt.

Der monostabile Multivibrator 99-1 beinhaltet eine Reihe von drei Stufen von Invertern I 20 bis I 22, die das Auffrisch freigabesignal Φ _R empfangen, und ein NAND-Gate N 10, das das Ausgangssignal des Inverters I 22 an einem seiner Eingänge empfängt und das das Auffrischfreigabesignal Φ _R an seinem anderen Eingang empfängt. Die Inverter I 20 bis I 22 in vertieren und verzögern das Auffrischfreigabesignal Φ _R und führen dieses zu einem der Eingänge des NAND-Gatters N 10 zu. Das SR-Flip-Flop 99-2 umfaßt ein NAND-Gatter N 11 mit drei Eingängen, das das Pulssignal Φ _TS mit einem Puls empfängt, und ferner das Selbstauffrischbetriebsarterfassungssignal Φ _S und den Ausgang des NAND-Gatters N 12, welches nachfolgend erläutert wird, empfängt, sowie ein NAND-Gatter N 12 mit zwei Eingängen, das den Ausgang des NAND-Gatters N 11 an einem seiner Eingänge und das invertierte Oszillationssignal von dem Ringoszillator 93-1 und dem Puffer 93-2 in der Zeitgeberschaltung 93 an dem anderen seiner Eingänge empfängt. Das NAND-Gatter N 11 erzeugt ausgangsseitig ein Signal Φ _C zum Steuern der Betriebsweise oder Wirkungsweise des Substratvorspannungsgenerators 100. Der Betrieb der Steuerung 99 für die intermittierende Betriebsweise wird nachfolgend erläutert.

Die Wirkung in einem Zustand, der nicht der Selbstauffrisch betriebsart entspricht, sowie die Selbstauffrischbetriebs arterfassungssignale Φ _S mit einem "L"-Pegel werden nach folgend unter Bezugnahme auf Fig. 11A erläutert. In diesem Zustand ist der Ausgang des NAND-Gatters N 11 konstant bei einem "H"-Pegel unabhängig vom Ausgang des NAND-Gatters N 12 und unabhängig von dem Signal Φ _TS. Wenn dieses Signal Φ _C somit einen "H"-Pegel hat, wird der Substratvorspannungs generator 100 aktiviert, um ein Vorspannungspotential zu dem Halbleitersubstrat zuzuführen.

Es sei nunmehr angenommen, daß der Pegel des Signals "L" wird und das das DRAM eine Selbstauffrischbetriebsweise nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer einnimmt. In diesem Zustand wird in Reaktion auf eine Verschiebung des Signales zu dem "L"-Pegel das Selbstauffrischbetriebs arterfassungssignal Φ _S auf den "H"-Pegel angehoben, wie dies in Fig. 11B gezeigt ist. Vor Verstreichen der vorbestimmten Zeitdauer und bei Beibehalten des "L"-Pegels durch das Selbstauffrischfreigabesignal Φ _R ist das Ausgangssignal Φ _TS des monostabilen Multivibrators 99-1 bei dem "H"-Pegel. Wenn daher die vorbestimmte Zeitdauer verstrichen ist und das Auffrischfreigabesignal Φ _R auf "H" gestiegen ist, wird das Signal Φ _TS auf "L"-Pegel während einer vorbestimmten Zeit dauer oder Zeitbreite (die durch die Verzögerungszeit in den Invertern I 10 bis I 12 festgelegt ist) in Reaktion auf das Ansteigen des Signales Φ _R herabgezogen. Als Ergebnis steigt der Ausgang des NAND-Gatters N 11 auf den "H"-Pegel. Dieses Ansteigen des Ausgangssignales Φ _C des NAND-Gatters N 11 ist synchron mit dem Ansteigen des invertierten Signales ′, wobei das Signal Φ _C bei dem "H"-Pegel gehalten wird, während das inverse Signal bei dem "H"-Pegl bleibt. Wenn daher das inverse Signal nach unten zum "L"-Pegel geschoben wird, steigen sämtliche Eingänge des NAND-Gatters N 11 mit drei Eingängen auf den "H"-Pegel, wobei dessen Ausgangssignal Φ _C auf "L"-Pegel rückgesetzt wird. Die Zeitdauer, während der das obige Signal Φ _C aktiv ist, liegt bei etwa 0,5 Mikrose kunden, wenn die Zykluszeit des Oszillationssignales Φ _r vom Zeitgeber eine Mikrosekunde beträgt.

Fig. 12 ist eine diagrammartige Darstellung eines speziellen Ausführungsbeispieles des Substratvorspannungsgenerators 100, welcher in Fig. 4 gezeigt ist. Bei der in Fig. 12 Ge zeigten Bauweise beinhaltet der Substratvorspannungsge nerator 100 einen Ladungspumpkondensator C, Spannungs- Klammer-MOS-Transistoren Q 1, Q 2 und einen Ringoszillator 511, der ein Oszillationssignal Φ _CP von vorbestimmter Frequenz ausgangsseitig erzeugt. Die Operation des Ring oszillators 511 wird durch das Steuersignal Φ _C von der Steuerung 99 für intermittierende Betriebsweise gesteuert. Fig. 13 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel des Ring oszillators 511 gemäß Fig. 12.

Bezugnehmend auf Fig. 13 umfaßt der Ringoszillator 511 sieben serielle Inverterstufen I 30 bis I 36, ein NAND-Gatter N 30, das den Ausgang des Inverters I 36 an einem seiner Eingänge empfängt, und das Steuersignal Φ _C an dem anderen Eingang empfängt, und eine Reihe von zwei Inverterstufen I 37, I 38, die den Ausgang eines NAND-Gatters N 30 empfangen. Das NAND-Gatter N 30 arbeitet als Inverter, wenn das Steuersignal Φ _C bei dem "H"-Pegel ist, und erzeugt ein Ausgangssignal von "H"-Pegel, wenn das Steuersignal bei dem "L"-Pegel ist, unabhängig vom Ausgangszustand des Inverters I 36. Wenn daher das Steuersignal Φ _C sich bei dem "H"-Pegel befindet, bilden die Inverter I 30 bis I 36 und das NAND-Gatter N 30 einen sieben-stufigen Ringoszillator. Das NAND-Gatter N 30 erzeugt ausgangsseitig ein Oszillationssignal Φ _CP, das die Ladungspumpwirkung des Landungspumpkondensators C durch die Signalforminverter I 37, I 38 bestimmt. Wenn die Ringoszillatorbauweise gemäß Fig. 13 verglichen wird mit der konventionellen, bekannten Bauweise gemäß Fig. 2, fallen folgende Unterschiede ins Auge:

Bei dem bekannten Ringoszillator gemäß Fig. 2 schwingt der Oszillator konstant unabhängig vom Betriebszustand des DRAM. Im Gegensaz hierzu schwingt der Ringoszillator 511 gemäß Fig. 10 nach der vorliegenden Erfindung nur dann, wenn das Steuersignal Φ _C sich bei den "H"-Pegel befindet, und schwingt nicht, während sich das Steuersignal Φ _C bei dem "L"-Pegel befindet, so daß dessen Signalausgang bei "H"-Pegel gehalten wird. Wie in Fig. 11B gezeigt ist, steigt dieses Steuersignal Φ _C an und wird bei dem aktivierten "H"-Pegel lediglich für eine vorbestimmte Zeitdauer in Reaktion in das Auffrischfreigabesignal Φ _R, das ausgangsseitig von dem Zeitgeber 93 erzeugt wird, gehalten.

Andererseits wird gemäß der obigen Beschreibung der Auf frischadreßzähler 94 durch die Auffrischsteuerung 92 in Reaktion auf das Auffrischfreigabesignal Φ _R aktiviert und die Wortleitung in der Adresse entsprechend dem Auffrisch adreßsignal Q 0 bis Q 9 aus der Speichermatrix 97 ausgewählt, so daß Daten in der Speicherzelle, die an die ausgewählte Wortleitung angeschlossen sind, aufgefrischt werden.

Die Betriebszeitsignaldiagramme nach den Fig. 14A und 14B beziehen sich auf den Stand der Technik und auf die vor liegende Erfindung. Diese Diagramme zeigen den Unterschied zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung bezüglich der zeitlichen Verhältnisse, nämlich bezüglich des Zeit verhaltens der Aktivierung des Auffrischfreigabesignals Φ _R, des Zeitverhaltens der Auswahl einer Wortleitung und des Zeitverhaltens des Ausgangssignales eines Oszillationssig nales von dem Ringoszillator. Fig. 14A zeigt die Beziehung des Auffrischfreigabesignales, der Auswahl einer Wortleitung und des Ladungspumposzillationssignales Φ _CP bei dem bekann ten DRAM, während Fig. 14B eine ähnliche Beziehung bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Wie in Fig. 14A zu sehen ist, steigt das Auffrischfreigabe signal Φ _R auf den "H"-Pegel alle 16 Mikrosekunden an, während die Wortleitungen sequentiell in Reaktion auf das Auffrischadreßsignal von dem Auffrischadreßzähler 94 ausge wählt werden und das Potential WL der ausgewählten Wort leitungen auf "H" steigt. Wie in Fig. 14 auch zu sehen ist, wird beispielsweise die (n)-th Wortleitung zu einem Zeitpunkt t(n) aktiviert, während die (n+1)-th Wortleitung zu einem Zeitpunkt t(n+1) aktiviert wird, der sich 16 Mikrosekunden nach dem Zeitpunkt t(n) befindet. Bei der Bauweise der bekannten Substratvorspannungsgeneratorschal tung oszilliert das Ausgangssignal Φ _CP ihres Ringoszilla tors 411 ständig unabhängig von der Auswahl der Wortleitungen oder vom Zeitverhalten des Auffrischfreigabe signales Φ _R.

Dies steht im Gegensatz zu dem Substratvorspannungsgenerator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem gemäß Fig. 14B das Oszillationssignal Φ _C von dessen Ringoszil lator 511 lediglich während einer Zeitdauer von 0,5 Mikro sekunden ab dem Anstieg des Auffrischfreigabesignal Φ _R schwingt, so daß die Substratvorspannung nur während dieser Zeitdauer erzeugt wird. Bei dieser Anordnung ist es möglich, wie man aus der Fig. 11B erkennt, den Substratvorspannungs generator lediglich vor und nach der Zeitdauer zu betätigen, während der die Wortleitungsauswahl und das Auffrischen aus geführt werden (wobei diese Zeitdauer ungefähr 100 bis 200 ns im typischen Fall beträgt).

Allgemein sinkt der Absolutwert der Substratvorspannung aufgrund eines Leckstromes (Löcherstromes), der beispiels weise zwischen dem source-Bereich eines MOS-Transistors und einem Halbleitersubstrat stattfinden kann. Der Leckstrom in das Halbleitersubstrat ist notwendigerweise konstant, hängt jedoch von Schaltungsbetriebszuständen ab. Dieser Substrat leckstrom ist vergleichsweise klein, wenn der Schaltzustand der Transistoren fest oder ruhig ist, aber steigt an, wenn eine Speicherschaltung betrieben wird und der Schaltzustand von MOS-Transistoren sich ändert. Daher ändert sich die Substratvorspannung hauptsächlich dann, wenn Wortleitungen aktiviert werden und wenn eine Auffrischung eines Speichers stattfindet. Daher ist es möglich, durch Treiben des Subs tratvorspannungsgenerators lediglich während dieser Zeitdauer derartige Änderungen in der Substratvorspannung auszuschließen und die Leistungsaufnahme in der Substrat vorspannungsgeneratorschaltung zu vermindern.

Bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel wird der Substrat vorspannungsgenerator 100 lediglich während der kürzest möglichen Zeit aktiv geschaltet, d. h. während der Zeit, während der tatsächlich eine Speicherauffrischung stattfindet. Jedoch ist es für den alleinigen Zweck der Reduktion der Leistungsaufnahme in der Selbstauffrischungs betriebsart ausreichend, den Substatvorspannungsgenerator während der Selbstauffrischungsbetriebsart intermittierend zu betreiben. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf eine Bauweise, bei der der Substratvorspannungsgenerator während einer Zeitdauer betätigt wird, die kürzer als ein Auffrischzyklus ist, und die länger als die Aktivierungs periode des Auffrischfreigabesignales (die Periode während der das tatsächliche Auffrischen stattfindet) ist.

Fig. 17 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel des Ring oszillators im Substratvorspannungsgenerator 100. Anders als bei der Struktur gemäß Fig. 13, wird ein NOR-Gatter N 100 als Ausgangsstufe verwendet. Daher enthält der Ringoszillator, der allgemein bei dem Bezugszeichen 511′ gezeigt ist, eine gerade Zahl von in Reihe geschalteten Invertern IR₁ bis IR _2n, und ein NOR-Gatter N 100 mit zwei Eingängen, das den Ausgang des Inverters IR _2n und das Steuersignal I _C empfängt. Das NOR-Gatter N 100 empfängt ausgangsseitig ein Oszillationssignal Φ _CP. Der Ausgang des NOR-Gatters N 100 wird zu dem Inverter IR₁ rückgekoppelt. Das NOR-Gatter N 100 arbeitet als Inverter, wenn sich das Steuersignal Φ _C bei "L"-Pegel befindet, und erzeugt ausgangsseitig ein "L"-Pegel signal, wenn das Steuersignal Φ _C sich bei dem "H"-Pegel befindet, unabhängig vom Ausgangssignal des Inverters IR _2n. Daher arbeitet der Ringoszillator nicht, wenn sich das Steuersignal Φ _C bei dem "L"-Pegel befindet. Aus diesem Grunde versorgt der Substratvorspannungsgenerator 100 bei Ausstattung mit dem Ringoszillator gemäß Fig. 15 das Halbleitersubstrat mit der Substratvorspannung nur dann, wenn das Steuersignal Φ _C sich bei dem "H"-Pegel befindet.

Fig. 16 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung für die intermittierende Betriebsart.

Wie in Fig. 16 gezeigt ist, ist die Steuerschaltung für die intermittierende Betriebsart allgemein mit dem Bezugszeichen 99′ bezeichnet und beinhaltet ein RS-Flip-Flop 321, einen Inverter I _C, der das Q-Ausgangssignal RS-Flip-Flop 312 m empfängt, sowie ein UND-Gatter AN 100, das das Selbstauf frischbefehlssignal Φ _S empfängt und das das Ausgangssignal des Inverters I _C empfängt. Das UND-Gatter erzeugt ausgangsseitig ein Steuersignal Φ _C.

Das RS-Flip-Flop 312 hat einen Setzeingang S, der das Auf frischfreigabesignal Φ _R empfängt und einen Rücksetzeingang R, der den Q-Ausgang durch eine gerade Anzahl von in Reihe geschalteten Invertern I _{c 1} bis I _{c 2m} empfängt. Diese Inverter I _{c 1} bis I _{c 2m} bilden eine Verzögerungsschaltung.

Fig. 17 zeigt die Betriebssignalform der in Fig. 16 gezeigten Steuerschaltung. Fig. 18 zeigt die Arbeitssignal form des Substratvorspannungsgenerators 511′ bei diesem Ausführungsbeispiel. Die Wirkungsweise des Substratvor spannungsgenerators gemäß eines anderen Ausführungsbei spieles der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 15 bis 18 beschrieben.

Wenn das Selbstauffrischsignal I _S auf den "H"-Pegel ansteigt, um einen Befehl für die Selbstauffrischbetriebsart zu geben, erzeugt der Zeitgeber 93 ausgangsseitig ein Puls signal (Auffrischfreigabesignal) Φ _R mit einer Zykluszeit T _T. Wenn das Auffrischfreigabesignal Φ _R auf den "H"-Pegel ansteigt, wird das Flip-Flop 321 gesetzt, so daß dessen Q-Ausgang (der Knoten N _F) den Pegel "H" annimmt. Das Potential des Knoten N _F wird zu einem der Eingänge eines UND-Gatters AN 100 durch den Inverter I _C zugeführt, wodurch das UND-Gatter AN 100 gesperrt wird und dessen Ausgangssignal Φ _C den Pegel "L" annimmt. Nachdem Anstieg des Potential des Knotens N _F auf den "H"-Pegel und nach der Verzögerungszeit T _C, die durch die Inverter I _{c 2m} erzeugt wird, steigt das Knotenpotential des Knotens N _R auf den "H"-Pegel, wodurch das Flip-Flop 321 rückgesetzt wird und das Potential des Knotens N _F zurückfällt auf das Potential "L". Als Ergebnis hiervon wird das Ausgangssignal des Inverters I _{c 1} "H". Da das Auffrischbefehlssignal Φ _F einen "H"-Pegel hat, wird das Steuersignal Φ _C von dem UND-Gatter AN 100 "H" zu. Daher wird als Steuersignal Φ _C ein Pulssignal mit Zykluszeit T _T und einer Pulsbreite T _C erhalten. Als Ergebnis schwingt der Ringoszillator 511′ gemäß dem Steuersignal Φ _C lediglich der Zeitdauer I _C und hört auf zu schwingen während der anschließenden Zeitdauer (T _T-T _C). Der Ringoszillator 511′ wiederholt diese intermittierende Arbeitsweise während der Selbstauffrischungsbetriebsart. Da keine Leistungsaufnahme in den Substratvorspannungsgenerator 511′ während dieser Unterdrückung der Schwingung auftritt, wird die Gesamtleistungsaufnahme des DRAM abgesenkt.

Andererseits bleibt während des Normalbetriebes und der Auffrischbetriebsart außerhalb der Auffrischbetriebsart das Signal Φ _S bei einem niedrigem Pegel. Daher ist das Ausgangssignal Φ _C unabhängig vom Pegel des Signales Φ _R ständig bei einem niedrigen Pegel, so daß der Ringoszillator 511′ ständig schwingt.

Obwohl bei dem obigen Ausführungsbeispiel die Schwingung des Ringoszillators durch das Ausgangssignal Φ _R der Selbst auffrischzeitgeberschaltung intermittierend gemacht wird, kann die Wirkung des Ringoszillators durch das Ausgangssignal einer unabhängigen Zeitgeberschaltung gesteuert werden.

Fig. 19 ist ein Blockdiagramm einer Substratvorspannungs erzeugungsschaltung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorspannungserzeugungsschaltung gemäß Fig. 19 beinhaltet eine Hauptvorspannungserzeugungsschaltung 110 mit relativ hoher Vorspannungskapazität oder Vor spannungsfähigkeit (Stromzuführfähigkeit) und eine Hilfs vorspannungserzeugungsschaltung 120 mit vergleichsweise niedriger Vorspannungsfähigkeit oder Vorspannungskapazität. In der Konfiguration gemäß Fig. 19 wird ein Schwingungssignal Φ _CP zu jeder der Vorspannungserzeugungs schaltung 110 und 120 in Reaktion auf das Substratpotential erfassungssignal Φ _D von einer Substratpotentialerfassungs schaltung 610 unter der Steuerung einer schaltenden Schaltung 600 zugeführt. Die Hauptvorspannungsschaltung 110 beinhaltet einen Ladungspumpkondensator C _M zum Empfangen eines Schwingungssignal Φ _CPM für die schaltende Schaltung 600, und Klammer-MOS (Metalloxyd-Halbleiter)-Transistoren Q _1M und Q _2M.

Die Hilfsvorspannungsschaltung 120 beinhaltet einen Ladungs pumpkondensator C _S zum Empfangen eines Schwingungssignales Φ _CPS von der schaltenden Schaltung 600 und Klammer-MOS- Transistoren Q _1S und Q _2S.

Allgemein wird die Vorspannfähigkeit oder Vorspannkapazität eines Vorspannungspotentialgenerators mit einer Ladungs pumpoperation eines Kondensators durch die Menge der injizierten Ladungen pro Punktzyklus und durch die Anzahl der Operationen des Ladungspumpens pro Zeiteinheit bestimmt, d. h. durch den Kapazitätswert des Ladungspumpkondensators und durch die Schwingungsfrequenz eines Ringoszillators sowie durch die Treibbarkeit (Stromzufuhrfähigkeit) der Klammer-MOS-Transistoren. Daher wird die Hauptvorspann schaltung 110 mit einer größeren Vorspannfähigkeit ausgestattet als die Hilfsvorspannschaltung 120, indem der Kondensator Q _1M mit einem größeren Kapazitätswert gewählt wird als der Kondensator Q _1S und indem die Treiberfähigkeit des MOS-Transistors Q _2M (oder dessen Transistorgröße) größer gewählt wird als diejenige des MOS-Transistors Q _2S. Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig. 19 kurz erläutert. Es sei ein Fall betrachtet, bei dem der Ringoszillator 511 sich in seinem Schwingungszustand befindet. Die Substratvorspannungserfassungsschaltung 610 erfaßt im Potentialpegel der Substratvorspannung V _BB. Wenn der erfaßte Pegel kleiner bezüglich seines Absolutwertes als ein vorbestimmter Potentialpegel ist, wird die schaltende Schaltung 600 hierauf ansprechend derart gesteuert, daß die Hauptvorspannschaltung 110 aktiviert wird, so daß die Substratvorspannung vor V _BB schnell auf einen vorbestimmten Pegel abgesenkt wird. Nachdem die Vorspannung V _BB ein vorbestimmtes Potential erreicht, wird die Hilfsvor spannungsschaltung 120 unter der Steuerung der schaltenden Schaltung 600 in Reaktion auf das Erfassungssignal Φ _D von der Substratvorspannungspotentialerfassungsschaltung 610 aktiviert. Wie oben beschrieben wurde, wird durch Anpassung der Vorspannungsfähigkeit des Substratvorspannungsgenerators an dem Potentialpegel der Substratvorspannung V _BB bei der Schwingungsoperation des Ringoszillators 511 die Leistungs aufnahme in diesen stärker reduziert als bei einer Struktur, die eine Substratvorspannungserzeugungsschaltung mit lediglich einer Art von Vorspannungsfähigkeit hat, wie diese in Fig. 12 gezeigt ist.

Fig. 20 zeigt eine spezielle Bauweise der Substratpotential erfassungsschaltung gemäß Fig. 19.

Wie in Fig. 20 gezeigt ist, beinhaltet die Substratpoten tialerfassungsschaltung 610 einen p-Kanal-MOS-Transistor Q 3 und n-Kanal-MOS-Transistoren Q 4 und Q 5, die ein Reihe zwischen einem Leistungsversorgungspotential V _cc und einem Substratvorspannungspotential V _BB geschaltet sind. Der MOS- Transistor Q 3 ist mit einem Leiteranschluß an das Leistungszuführungspotential V _cc angeschlossen, während dessen Gate mit Masse GND und während dessen anderer Leiter am Schluß an einen Knoten N 1 angeschlossen sind. Der MOS- Transistor Q 4 ist mit seinem Gate an Masse, mit einem Leiteranschluß an den Knoten N 1 und mit dem anderen Leiteranschluß an einen Knoten N 2 angeschlossen. Der MOS- Transistor Q 5 ist mit seinem Gate und mit einem Leiteran schluß jeweils mit dem Knoten N 2 verbunden, während der andere Leiteranschluß mit dem Substratvorspannungspotential V _BB verbunden ist. Der Ausgangspotentialpegel am Knoten N 1 wird als Substratpotentialerfassungssignal Φ _D zu der schaltenden Schaltung 600 durch eine signalformende zweistufige Inverterschaltung I 50, I 51 zugeführt. Nach folgend wird die Betriebsweise dieser Schaltung erläutert.

Da der MOS-Transistor Q 3 mit seinem Gate an Masse GND an geschlossen ist, ist er normalerweise ausgeschaltet. Es sei nun ein Fall betrachtet, bei dem die Substratvorspannung V _BB einen kleinen Absolutwert hat und die Substratvorspannung gering ist. Wenn die Substratvorspannung V _BB null Volt beträgt, entspricht der Potentialpegel am Knoten N 2 im wesentlichen der Schwellenspannung des Transistors Q 5. Der n-Kanal-MOS-Transistor Q 4 ist mit seinem Gate an Masse GND angeschlossen und hat ein Potential am Knoten N 2, das größer als null Volt ist, so daß der MOS-Transistor Q 4 sich in seinem ausgeschalteten Zustand befindet. Dann wird der Knoten N 2 auf einen hohen Pegel durch den MOS-Transistor Q 3 geladen. In diesem Zustand ist das Substratpotentialer fassungssignal Φ _D bei einem hohen "H"-Pegel.

Es sei angenommen, daß die Substratvorspannung einen größeren Absolutwert als der Wert von -(V _{T 5}+V _T4) annimmt, wobei V _{T 4} und V _{T 5} die Schwellenspannungen der MOS-Transis toren Q 4 und Q 5 bezeichnen. in diesem Fall wird der Po tentialpegel am Knoten N 2 einen größeren Absolutwert annehmen als der Wert -V _{T 4}. Als Ergebnis wird der MOS-Tran sistor Q 4 eingeschaltet, so daß die MOS-Transistoren Q 4 und Q 5 beide leitfähig werden. In dem Fall, daß das Verhältnis der Leitfähigkeiten der MOS-Transistoren Q 3 und Q 4 geeignet gewählt ist, kann der Potentialpegel am Knoten N 1 niedrig "L" für den Inverter I 50 gemacht werden. Wenn daher die Substratvorspannung tief ist, befindet sich das Erfassungssignal Φ _D bei "L"-Pegel. Wenn die Substratvor spannung V _BB einen kleineren Absolutwert als der Wert von -(V _{T 5}+V _{T 4}) aufgrund eines Leckstromes in das Substrat (eines Löcherstromes, der durch die Schaltungsbetriebsweise erzeugt wird) annimmt, wird der MOS-Transistor Q 4 ausgeschaltet. Dementsprechend steigt das Potential an dem Knoten N 1 auf den "H"-Pegel, so daß das Steuersignal Φ _D den "H"-Pegel annimmt.

Es sei angemerkt, daß bei gleichzeitiger Einschaltung der MOS-Transistoren Q 4 und Q 5 ein Strom von der Leistungs versorgung V _cc zu dem Substrat fließt, um das Substrat potential zu ändern, wodurch die Substratvorspannung einen kleineren Absolutwert erhält. Um die Abweichung der Subs tratvorspannung und des Stromflusses durch die Potential erfassungsschaltung selbst zu vermindern und um den "L"-Pegel am Knoten N 1 ausreichend abzusenken, wird die Leitfähigkeit MOS-Transistors Q 3 so klein als möglich gewählt. Mit anderen Worten muß der MOS-Transistor Q 3 einen so hoch gewählten Widerstandswert haben.

Fig. 21 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer speziellen Bauweise der schaltenden Schaltung 600 gemäß Fig. 19. Wie in Fig. 21 gezeigt ist, umfaßt die schaltende Schaltung 600 ein UND-Gatter AD 1 zum Empfangen eines Schwingungssignals Φ _CP von dem Ringoszillator 511 und ein Erfassungssignal Φ _D von der Substratpotentialerfassungs schaltung 610 und ein NOR-Gatter NR 1 zum Empfangen des Schwingungssignals Φ _CP und des Erfassungssignals Φ _D. Ein Ausgang des UND-Gatters AD 1 wird als Schwingungssignal Φ _CPM zu der Vorspannungspotentialerfassungsschaltung 110 mit großer Vorspannungsfähigkeit zugefährt. Ein Ausgang des NOR-Gatters NR 10 wird als Schwingungssignal Φ _CPS zu einer zweiten Vorspannungspotentialerzeugungsschaltung 120 mit kleiner Vorspannungsfähigkeit zugeführt.

Fig. 22 ist eine Signalformdiagrammdarstellung der Betriebs weise der schaltenden Schaltung 600 gemäß Fig. 21. Nach folgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 19 bis 21 der Betrieb der schaltenden Schaltung 600 erläutert. Wenn das Erfassungssignal Φ _D der Substratpotentialerfassungsschaltung 610 sich bei "H"-Pegel befindet, d. h. wenn das Potential des Halbleitersubstrates nicht einen vorbestimmten Pegel erreicht, ermöglicht das UND-Gatter AD 1 ein Durchlassen des Schwingungssignals Φ _CP. Andererseits wird der Ausgang des NOR-Gatters NR 55221 00070 552 001000280000000200012000285915511000040 0002003924952 00004 551021 bei "L"-Pegel unabhängig vom Pegel des Schwingungssignals Φ _CP gehalten. Daher wird das Schwingungs signal Φ _CPM, wenn das Erfassungssignal Φ _D bei einem "H"-Pegel ist, zu dem Kondensator C _M der ersten Substrat vorspannungspotentialerzeugungsschaltung 110 mit großer Vorspannungsfähigkeit zugeführt, wodurch das Potential des Halbleitersubstrates schnell auf einen vorbestimmten Pegel abgesenkt wird.

Wenn andererseits das Potential des Halbleitersubstrates den vorbestimmten Pegel erreicht und das Erfassungssignal Φ _D von der Substratpotentialerfassungsschaltung 610 auf den "L"-Pegel fällt, fällt das Ausgangssignal des UND-Gatters AD 1 auf den "L"-Pegel, während das NOR-Gatter N 1 als Inverter arbeitet. Daher wird das Schwingungssignal Φ _CPM auf dem "L"-Pegel festgehalten, wobei das Schwingungssignal Φ _CPS ein Schwingungssignal ist, das durch Umkehrung des Schwingungssignals Φ _CP von dem Ringoszillator 511 erhalten wird. Als Ergebnis hiervon arbeitet die zweite Substratvor spannungspotentialerzeugungsschaltung 120 mit kleinerer Vorspannfähigkeit, sodaß das Potential des Halbleitersub strates auf einem vorbestimmmten Pegel durch die Ladungs pumpfunktion des Kondensators C _s gehalten wird.

Fig. 23 ist ein Diagramm der Bauweise einer Substratvor spannungspotentialerzeugungsschaltung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bauweise gemäß Fig. 23 umfaßt eine Steuerschaltung 700 zum abwechselnden Betätigen der Vorspannungserzeugungsschaltungen 110 und 120. Die Steuerschaltung 700 beinhaltet eine Bezugspotential erzeugungsschaltung 720 zum Erzeugen eines Bezugspotentials von vorbestimmten Pegel, eine Vergleichsschaltung 740 für einen Vergleich mit dem Ausgangssignal der Substratpoten tialerfassungsschaltung 730 und eine schaltende Schaltung 710 zum Übertragen des Schwingungssignals Φ _CP von dem Ring oszillator 511 zu der Substratvorspannungspotentialerzeu gungsschaltung 110 und der Substratvorspannungserzeugungs schaltung 120 in Reaktion auf das Ausgangssignal der Ver gleichsschaltung 740. Die Substratpotentialerfassungs schaltung 730 hat eine hohe Eingangsimpedanz, durch die das Substratpotential erfaßt wird. Eine derart hohe Eingangs impedanz für die Substratpotentialerfassung hat folgenden Vorteil. Wenn bei der Substratpotentialerfassungsschaltung gemäß Fig. 20 beide MOS-Transistoren Q 3, Q 4 eingeschaltet sind, findet ein Stromfluß von dem Versorgungspotential V _cc zum Substrat statt. Auch dann, wenn die Leitfähigkeit des Transistors Q 3 so klein wie möglich gewählt wird, um einen Stromfluß zu begrenzen, kann ein Leckstrom zum Substrat nicht vollständig verhindert werden. Der Leckstrom, der zum Substrat fließt, vermindert die Substratvorspannung in absoluten Werten und bewirkt eine schwache Substratvor spannung. Die schwache Substratvorspannung betätigt die Substratvorspannungserzeugungsschaltung 110 mit großer Stromzuführfähigkeit. Daher arbeitet die Hauptvorspann schaltung 110 in Reaktion auf den Leckstrom durch die Potentialerfassungsschaltung selbst. Dies wird zu dem Problem, daß die Potentialerfassungsschaltung selbst eine schwache Substratvorspannung herbeiführt, wodurch die Haupt vorspannungsschaltung 110 unnötig arbeitet.

Wenn im Gegensatz hierzu bei der Struktur gemäß Fig. 23 das Substratpotential durch einen Eingang mit hoher Impedanz er faßt wird, so kann das Substratpotential genau erfaßt werden, ohne daß dies einen negativen Einfluß auf das Substratpotential hat. Das auf diese Weise erfaßte Substrat potential wird mit einem intern erzeugten negativen Bezugs potential verglichen. Die Vorspannungsschaltungen 110 und 120 arbeiten jeweils in Abhängigkeit von dem Vergleichs ergebnis. Daher werden Vorspannungsschaltungen mit unter schiedlichen Vorspannungsfähigkeiten wahlweise und in genau geeigneter Weise in Abhängigkeit vom Substratpotential betätigt, so daß eine verminderte Leistungsaufnahme bewerk stelligt werden kann.

Fig. 24 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer speziellen Bauweise der Auswahlsteuerschaltung 700 gemäß Fig. 23. Wie in Fig. 24 gezeigt ist, umfaßt die Auswahl steuerschaltung 700 eine Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 zum Erzeugen eines Bezugspotentials, das den vorbe stimmten Pegel schneller annimmt, verglichen mit dem Substratpotential nach Einschaltung der Leistungsversorgung; einen p-Kanal-MOSFET Q 1 G zum Erfassen eines Ausgangs potentials Vr der Bezugspotentialerzeugungsschaltung; einen p-Kanal MOSFET Q 2 G zum Erfassen des Substratpotentiales V _BB; und MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 12 G zum Erzeugen von Signalen zum Ausschalten von einer der Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltungen und zum Aktivieren der anderen Substratvorspannungspotentialerzeu gungsschaltung in Reaktion auf die Erfassungsausgangssignale der MOSFETs Q 1 und Q 2 G. Die Transistoren Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 12 G bilden einen CMOS-Flip-Flop-Differenzial- Verstärker, der Signale entsprechend den Ausgangssignalen der Erfassung durch die MOSFETs Q 1 G und Q 2 G an den Ausgangsknoten P 1 und P 2 erzeugt. An den Ausgangsknoten P 1 und P 2 liegen Schwingungssignale Φ _CPS und Φ _CPM an, die an die erste Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung 120 mit der kleineren Vorspannungsfähigkeit und an die zweite Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung 110 mit der größeren Vorspannungsfähigkeit jeweils angelegt werden müssen.

Es sind p-Kanal-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G zwischen den Erfassungs-MOSFETs Q 1 G und Q 2 G und den Ausgangsknoten P 1 und P 2 angeordnet. Die MOSFETs Q 3 G und Q 4 G arbeiten als Abschneidetransistoren zum Verhindern eines Stromflußes von dem Leistungsversorgungspotential V _cc zu den Ausgangsknoten P 1 und P 2, wenn die Erfassungstransistoren Q 1 G und Q 2 G eingeschaltet sind. Es sind p-Kanal-MOSFETs Q 5 G und Q 6 G parallel zu den MOSFETs Q 7 G und Q 8 G geschaltet, um die Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf einem bestimmten Potentialpegel vorzuladen. Das Schwingungssignal Φ _CP wird von dem Ringoszillator 511 an die Gates der MOSFETs Q 5 G und Q 6 G angelegt. Wenn daher das Schwingungssignal Φ _CP auf den "L"-Pegel fällt, werden die MOSFETs Q 5 G und Q 6 G eingeschaltet, um die Knoten P 1 und P 2 auf dem Pegel des Leistungsversorgungspotentials V zu laden. Das Schwingungssignal Φ _CP′ wird an jeweils einen Leiteranschluß (Sourcen) der n-Kanal-MOSFETs Q 11 G und Q 12 G durch den Inverter Q 2 G angelegt, so daß der Flip-Flop-Differenzial- Verstärker (d. h. die Schaltung, die durch die MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 12 G gebildet wird) aktiviert wird.

Ein inneres Steuersignal Φ _CP′ wird an die Gates der MOSFETs Q 3 G und Q 4 G angelegt, die als Abschneidetransistoren arbeiten. Das innere Steuersignal Φ _CP′ wird erzeugt, indem das Schwingungssignal Φ _CP von dem Ringoszillator 511 durch die Inverter I 1 G und I 2 G durchgelassen wird.

Die Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 zum Erzeugen des Bezugspotentials Vr hat die in Fig. 25 gezeigte Bauweise. Wie in Fig. 25 gezeigt ist, umfaßt die Bezugspotentialer zeugungsschaltung 720 einen Ladepumpenkondensator C 1 G, p-Kanal-MOSFETs Q 9 G und Q 10 G, die mit der Ladepumpen operation des Kondensators C 1 G zusammenarbeiten und das Potential des Knotens B 1 auf das vorbestimmte Potential klammern, und eine parasitäre Kapazität C 2 G. Der p-Kanal- MOSFET Q 9 G liegt zwischen dem Knoten B 1 und dem Masse potential und klammert das Potential des Knotens B 1 auf dessen Schwellenspannungspegel. Der p-Kanal-MOSFET Q 10 G liegt zwischen dem Knoten B 1 und einem Ausgangsknoten B 2 und klammert das Potential des Knotens B 1 auf einen Wert, der durch dessen Schwellenspannung bestimmt ist, sowie durch das Bezugspotential Vr. Die p-Kanal-MOSFETs Q 9 G und Q 10 G sind jeweils als Dioden verschaltet. Die Bezugspotentialer zeugungsschaltung 720 ist in einem n-Typ-Wannenbereich 160 an der Oberfläche des p-Typ-Halbleitersubstrates 150 aus gebildet, wie dies in Fig. 26 gezeigt ist, da dessen Komponenten ein Kondensator und p-Kanal-MOSFETs sind. Die parasitäre Kapazität C 2 G umfaßt eine Grenzschichtkapazität zwischen dem p-Typ-Bereich 150 und dem n-Typ-Wannenbereich 160, und dergleichen.

Das Ausgangssignal Vr der Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 wird an dem p⁺-Typ-Dotierungsbereich 170 angelegt, der in der n-Typ-Wanne 160 gebildet ist, um den p⁺-Dotierungs bereich 170 auf einen vorbestimmten Pegel gemäß dem Potential der Leistungsversorgung vorzuspannen. Das Bezugs potential Vr hat eine negative Polarität in der gleichen Art wie das Bezugsvorspannungspotential V _BB, welches an das Halbleitersubstrat 150 angelegt wird. Das Signal Φ _CP zum Betätigen der Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 wird durch einen Inverter I 20 angelegt.

Fig. 27 ist ein Signaldiagramm des Betriebes der Substrat vorspannungspotentialerzeugungsschaltung gemäß Fig. 24. Unter Bezugnahme auf die Fig. 24 bis 27 wird die Funktions weise der Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung gemäß des Ausführungsbeispiels der Erfindung nachfolgend erläutert.

Obwohl dies nicht in direkter Beziehung steht zu der Selbst auffrischbetriebsart, wir eine Übergangsarbeitsweise, die unmittelbar dem Einschalten der Leistungsversorgung auf tritt, aus Gründen des besseren Verständnisses der Betriebs weise der Steuerschaltung 700 erläutert.

Im Anfangszustand eines derartigen Einschaltens der Lei stungsversorgung sind sowohl das Bezugspotential Vr als auch das Substratvorspannungspotential V _BB beide auf Massepegel mit null Volt. In der Reaktion auf das Einschalten der Leistungsversorgung muß der Ringoszillator 511 gemäß Fig. 19 mit der Schwingung beginnen, um schnell das Substratpoten tial auf ein vorbestimmtes Potential zu senken. Diesbezüglich ist der Ringoszillator 511 derart aufgebaut, daß er in einer normalen Betriebsart gemäß Fig. 10 arbeitet. Eine derartige Struktur zum Betreiben des Ringoszillators 511 in der normalen Betriebsart wird durch eine Bauweise realisiert, bei der das Signal Φ _C bei einem "H"-Pegel während des "L"-Pegels des Signales Φ _S gehalten wird, um die Substratvorspannungserzeugungsschaltung 100 zu aktivieren, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.

In einem Anfangszustand des Einschaltens der Leistungs versorgung eines Halbleiterspeichergeräts bei Beginn des Schwingens des Ringoszillators 511 gemäß Fig. 10 in Reaktion auf das Einschalten der Leistungsversorgung nimmt das Bezugspotential Vr am Ausgang der Bezugspotentialerzeugungs schaltung 720 schnell den vorbestimmten Pegel -V _R ein. Andererseits nimmt das Substratvorspannungspotential V _BB, das an dem Halbleitersubstrat 150 anliegt, langsam einen vorbestimmten Vorspannungspegel an verglichen mit dem Abfall des Bezugspotential Vr. Eine Zeitdifferenz in dem Absenken des Bezugspotentials Vr und des Substratvorspannungspoten tials V _BB wird durch nachfolgende Gründe verursacht. Die Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 ist in dem n-Typ- Wannenbereich 160 ausgebildet. Um das Bezugspotential Vr zu erzeugen, wird das Potential des p⁺-Typ-Dotierungsbereichs 170 mit kleinem Volumen, welcher in dem n-Typ-Wannenbereich 160 gebildet ist, abgesenkt. Daher kann das Bezugspotential schnell das vorbestimmte Vorspannungspotential -V _R annehmen. Andererseits ist es zum Absenken des Potentials des Halb leitersubstrates 150 auf das vorbestimmte Potential nötig, das Potential des gesamten Halbleitersubstrats 150 abzusenken. Im Hinblick auf das Verhältnis der Kapazitäten (in der Größenordnung eines mehrtausendfachen) des p⁺-Typ- Dotierungsbereiches 170 und des Halbleitersubstrates 150 ist eine relativ lange Zeit (in der Größenordnung von einigen 100 Mikrosekunden) benötigt, um das Potential des Halblei tersubstrates 150 zu senken. Daher ist bei einem Anfangszu stand, bei dem das Bezugspotential Vr größer als das Substratvorspannungspotential V _BB bezüglich des Absolutwertes ist, die Impedanz des MOSFET Q 1 G kleiner als diejenige des MOSFET Q 2 G. Wenn das Schwingungssignal Φ _CP auf den "L"-Pegel fällt, werden die Vorlade-MOSFETs Q 5 G und Q 6 G eingeschaltet, und es werden die Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf den "H"-Pegel vorgeladen, welcher der gleiche Pegel wie derjenige des Leistungsversorgungspotentials V _cc ist. Zu diesem Zeitpunkt liegt das Ausgangssignal Φ _CP von dem Inverter I 1 G bei "H"-Pegel. Daher arbeitet der Flip-Flop-Differenzialverstärker nicht, der durch die MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G, und Q 12 G gebildet wird. Wenn als nächstes das Schwingungssignal Φ _CP auf den "H"-Pegel ansteigt, werden die Hochlade-Transistoren Q 5 G und Q 6 G ausgeschaltet und die Vorladebetriebsweise derKnoten P 1 und P 2 angehalten. Da zu diesem Zeitpunkt das Schwingungssignal Φ _CP zu den Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G durch die Inverter I 1 G und I 2 G übertragen wird, wird das Signal Φ _CP′ mit einer Verzögerung zu dem Schwingungssignal Φ _CP entsprechend der Verzögerungszeit der beiden Stufen der Inverter I 1 G und I 2 G übertragen. Daher werden die MOSFETs Q 3 G und Q 4 G mit einer Verzögerungszeit eingeschaltet, die der Verzögerungszeit des Ausschaltens der Vorlade-Transistor-MOSFETs Q 5 G und Q 6 G entspricht. Wenn das Ausgangssignal Φ _CP des Inverters I 1 G auf den "L"-Pegel in den obenbeschriebenen Zustand fällt, sind die Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G immer noch in ihrem eingeschalteten Zustand, so daß dem gemäß einer Potential differenz zwischen den Knoten P 1 und P 2 erzeugt wird. Daher arbeitet der durch die MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 12 G gebildete Flip-Flop-Differenzialverstärker zur Änderung des Potentialpegels des Ausgangsknotens P 1 in den "H"-Pegel und des Ausgangs-Pegels des Ausgangsknotens P 2 in den "L"-Pegel. Wenn dann das Schwingungssignal Φ _CP auf den "L"-Pegel fällt, werden die Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf den vorbestimmten Leistungsversorgungspotentialpegel in der bereits beschriebenen Art vorgeladen. Diese Arbeitsweise wird wiederholt und, wenn das Ausgangspotential Vr größer als das Substratvorspannungspotential V _BB in Absolutwerten ist, steigt das Ausgangssignal Φ _CPS von dem Ausgangsknoten P 1 auf den "H"-Pegel in Reaktion auf das Schwingungssignal Φ _CP an. Das Ausgangssignal Φ _CPM des Ausgangsknotens P 2 wird ein Schwingungssignal entsprechend des Schwingungssignales Φ _CP. Daher arbeitet die Substratvorspannungspotentialer zeugungsschaltung 120 gemäß Fig. 19 nicht, während die Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung 110 mit der größeren Vorspannfähigkeit arbeitet, wodurch das Potential des Halbleitersubstrates 150 schnell auf einen vorbestimmten Potentialpegel gesenkt wird.

Bei dem in Fig. 27 gezeigten Signalformdiagramm sind die Signale Φ _CP und Φ _CP′ als Signale der gleichen Phase aus Gründen der Einfachheit der Darstellung gezeigt. Jedoch ändert sich in der Praxis das Signal Φ _CP′ mit einer Ver zögerung gegenüber dem Signal Φ _CP entsprechend der Ver zögerungszeit durch der Inverter I 1 G und I 2 G.

Bei der oben beschriebenen Betriebsweise wurde erläutert, daß der Ringoszillator 511 unmittelbar nach dem Einschalten der Leistungsversorgung arbeitet. Wenn das Bezugspotential Vr der Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 einen größeren Absolutwert hat als das Substratvorspannungspotential V _BB, d. h. wenn die Substratvorspannung schwach ist, gilt die oben beschriebene Beschreibung, wobei jedoch der Ringoszillator 511 (511′) in Reaktion auf das Steuersignal Φ _C in der Selbstauffrischbetriebsart aktiviert wird. Das bedeutet, daß der Ringoszillator 511 eine Schwingungsbetriebsweise in der Selbstauffrischbetriebsart ausführt und daß das Substratvor spannungspotential schnell auf einen vorbestimmten Pegel in Reaktion auf das Erfassungssignal von der Substratpotential erfassungsschaltung 730 gesenkt werden kann, so daß eine stabilere Zuführung der Substratvorspannung erzielt werden kann.

Wenn das Potential des Halbleitersubstrates 150 größer wird als das Bezugspotential Vr bezüglich absoluter Werte, wird das Signal Φ _CPS ein Schwingungssignal entsprechend dem Schwingungssignal Φ _CP, und das Signal Φ _CPM wird auf "H"-Pegel festgelegt, was im Gegensatz zu der obigen Be triebsweise steht. Wenn als Ergebnis hiervon das Vorspan nungspotential des Halbleitersubstrates größer wird als das vorbestimmte Bezugspotential -V _R (=Vr) bezüglich absoluter Werte, arbeitet die erste Substratvorspannungspotentialer zeugungsschaltung 120 mit der kleineren Vorspannungsfähig keit. Bei der oben beschriebenen Bauweise können nicht nur nach einem ausreichenden Ansteigen des Leistungsversorgungs potentiales sondern auch unmittelbaren Einschalten des Leistungsversorgungspotentials beide Substratvorspannungs potentialerzeugungsschaltungen in Abhängigkeit von ihrer Vorspannfähigkeit gemäß dem Potential des Halbleitersub strates betätigt werden, so daß die Leistungsaufnahme ver mindert werden kann.

Ferne ist bei der oben beschriebenen Bauweise die Gate-Elektrode des MOSFET Q 2 G mit dem Halbleitersubstrat verbunden, um das Potential V _BB des Halbleitersubstrates zu erfassen. Demgemäß erfaßt die Substratpotentialerfassungs schaltung das Substratpotential durch den Eingang mit hoher Eingangsimpedanz. Daher übt die Substratpotentialerfassungs schaltung keinen negativen Effekt auf das Potential des Halbleitersubstrates aus, wie beispielsweise in Form eines Leckstromes in das Substrat, wobei lediglich eine der Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung in Reaktion auf das Potential des Halbleitersubstrates richtig betätigt werden kann.

Fig. 28 ist ein Diagramm einer anderen Bauweise eines Ausführungsbeispiels der Auswahlsteuerschaltung gemäß Fig. 24. In Fig. 28 sind diejenigen Schaltungsteile, die den Schaltungsteilen der Schaltung gemäß Fig. 24 entsprechend mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Bei der in Fig. 28 gezeigten Schaltung wird das Steuersignal Φ _CP′ zum Steuern der Betriebsweise der Abschalt-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G durch ein Flip-Flop 750 anstelle des in Fig. 24 gezeigten Inverters I 2 G erzeugt. Das Flip-Flop 750 empfängt ein Signal Φ _CP′ von dem Inverter I 1 G sowie die Signale Φ _CP′′ und Φ _CPM′′ von der Pufferschaltung 760. Die Pufferschaltung 760 erzeugt ausgangsseitig nicht nur die Betriebssteuersignale Φ _CPM′′ und Φ _CPS′′ für das Flip-Flop 750, sondern gleichfalls die Betriebssteuersignale Φ _CPM und Φ _CPS für die Substratvorspannungspotentialserzeugungsschal tungen 110 und 120 in Reaktion auf die Signale Φ _CPM′ und Φ _CPS′ von der Vergleichserfassungsschaltung 700′.

Die Vergleichserfassungsschaltung 700′ hat die gleiche Bauweise wie die Vergleichserfassungsschaltung 700 gemäß Fig. 23 und vergleicht das Bezugspotential Vr von der Bezugspotentialerfassungsschaltung 720 und das Substrat potential V _BB sowie die Ausgangssignale Φ _CPM′ und Φ _CPS′ gemäß dem Vergleichsergebnis.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel des Flip-Flop 750 ist in Fig. 29 gezeigt. Wie in Fig. 29 zu sehen ist, beinhaltet das Flip-Flop 750 zwei NOR-Gatter N 70 und N 71. Das NOR-Gatter N 70 empfängt das Signal Φ _CP von dem Inverter I 2 G sowie das Ausgangssignal des NOR-Gatters N 71. Das NOR-Gatter N 71 emmpfängt die beiden Steuersignale Φ _CPM′′ und Φ _CPS′′ von der Pufferschaltung 760 sowie das Ausgangssignal von dem NOR-Gatter N 70. Das NOR-Gatter erzeugt ausgangsseitig das Signal Φ _CP′ zum Steuern des Betriebes der MOSFETs Q 3 G und Q 4 G für das Stromabschneiden. In dem Flip-Flop 750 wird das Ausgangssignal Φ _CP′ auf den "L"-Pegel zurückgesetzt, wenn das Signal Φ _CP sich bei dem "H"-Pegel befindet.

Fig. 30 ist eine Diagrammdarstelung der speziellen Bauweise eines Ausführungsbeispiels der Pufferschaltung 760 gemäß Fig. 28. Wie in Fig. 30 zu sehen ist, umfaßt die Puffer schaltung 760 einen Weg für die Ausgabe des Signales Φ _CPM zum Steuern des Betriebes der Substratvorspannungspotential erzeugungsschaltung 110 mit der größeren Vorspannfähigkeit und einem Weg zum Ausgeben eines Signals Φ _CPS zum Steuern des Betriebes der Substratvorspannungspotentialerzeugungs schaltung 120 mit der kleineren Vorspannfähigkeit. Der Weg zum Ausgeben des Signals Φ _CPM umfaßt zwei Inverterstufen I 80, I 81, die kaskadenartig zum Empfangen des Signales Φ _CPM′ von dem Ausgangsknoten P 2 der Vergleichserfassungsschaltung 700′ geschaltet sind. Der Inverter I 80 erzeugt ausgangsseitig das Signal Φ _CPM′′ zum Steuern des Betriebes des Flip-Flop 750. Der Inverter I 81 erzeugt ausgangsseitig das Signal Φ _CPM zum Steuern des Betriebes der Substratvor spannungspotentialerzeugungsschaltung 110.

Der Weg zum Ausgeben des Signales Φ _CPS beinhaltet zwei Inverterstufen I 82 und I 83, die kaskadenartig geschaltet sind zum Empfangen des Signal Φ _CPS′ von dem Ausgangsknoten P 1 der Vergleichserfassungsschaltung 700′. Der Inverter I 82 erzeugt ausgangsseitig das Signal Φ _CPS′′ zum Steuern des Betriebes des Flip-Flop 750. Der Inverter I 83 erzeugt ausgangsseitig das Signal Φ _CPS zum Steuern des Betriebes der Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung 120. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 28 und 30 der Betrieb der Vorspannungspotentialerzeugungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Zunächst sei der Fall angenommen, bei dem das Ausgangssignal Φ _CP des Inverter I 1 G sich bei "H"-Pegel befindet, während der Ringoszillator 511 eine Schwingungsbetriebsweise aus führt. In diesem Fall befindet sich das Flip-Flop 750 in dem rückgesetzten Zustand. Da insbesondere das Signal mit "H"-Pegel einem Eingang des NOR-Gatters N 70 zugeführt wird, wird ein Signal mit "L"-Pegel ausgangsseitig von dem NOR-Gatter N 70 unabhängig von dem Signalen Φ _CPM′′ und Φ _CPS′′ erzeugt. In Reaktion hierauf sind die Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G beide in dem eingeschalteten Zustand. Die Ausgangsknoten P 1 und P 2 sind auf den "H"-Pegel vorgeladen.

Wenn dann das Ausgangssignal Φ _CP von dem Inverter I 1 G sich auf dem "L"-Pegel ändert, wird der Flip-Flop- Differenzialverstärker mit CMOS-Struktur, der durch die MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 1 G gebildet wird, aktiviert, um einen Vergleich zwischen dem Bezugspotential Vr der Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 und dem Substratvorspannungspotential V _BB durchzuführen. Da die Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf den "H"-Pegel durch die MOSFETs Q 5 G und Q 6 G aufgeladen sind, bevor der Differenzial verstärker aktiviert wird, steigen beide Signale Φ _CPM′ und Φ _CPS′ der Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf den "H"-Pegel an. Demgemäß werden die Ausgangssignale Φ _CPM′′ und Φ _CPS′′ der Pufferschaltung 760 beide auf den "L"-Pegel abgesenkt. Daher wird das Flip-Flop 750 in dem anfänglichen Aktivierungszustand des Flip-Flop-Differenzialverstärkers der CMOS-Struktur (nämlich in einem Zustand, in dem eine Potentialdifferenz zwischen dem Bezugspotential Vr und dem Substratvorspannungspotential V _BB nicht angehoben ist) in einem rückgesetzten Zustand gehalten, und das Ausgangssignal Φ _CP′ bei einem "L"-Pegel gehalten. Selbst wenn der Flip-Flop-Differenzialverstärker mit CMOS-Struktur aktiviert wird, bleiben beide Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G in dem eingeschalteten Zustand.

Wenn als nächstes die Potentialpegel der Knoten P 1 und P 2 auf den "H"-Pegel und den "L"-Pegel festgelegt werden gemäß dem Ergebnis des Vergleiches zwischend dem Bezugspotential Vr und dem Substratvorspannungspotential V _BB als Ergebnis des Betriebes des Differenzialverstärkers, steigen beide Ausgangssignale Φ _CPM′′ und Φ _CPS′′ der Pufferschaltung 760 auf den "H"-Pegel. Als Ergebnis hiervon wird das Flip-Flop 750 gesetzt und das Ausgangssignal Φ _CP′ steigt den "H"-Pegel. Genauer gesagt fällt der Ausgang des NOR-Gatters N 71 auf den "L"-Pegel, wenn ein Eingang des NOR-Gatters N 71 einen "H"-Pegel annimmt. Als Ergebnis hiervon fallen beide Eingänge des NOR-Gatters N 70 auf den "L-Pegel, so daß das Ausgangssignal Φ _CP′ auf den "H"-Pegel steigt. In Reaktion auf das Signal Φ _CP′ mit "H"-Pegel werden beide Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G ausgeschaltet. Hierdurch wird der Weg, den der durchfließende Strom von dem Versor gungspotential V _cc zu den Ausgangsknoten P 1 und P 2 über die Erfassungs-MOSFETs Q 1 G und Q 2 G fließt, unterbrochen. Andererseits werden die Potentialpegel der Ausgangsknoten P 1 und P 2 als Steuersignale Φ _CPM und Φ _CPS von der Pufferschaltung 760 ausgegeben. Diese Signale werden zu einer ersten und zweiten Substratvorspannungspotentialerzeu gungsschaltung 110 und 120 übertragen.

Wenn das Schwingungssignal Φ _CP erneut auf den "L"-Pegel fällt und das Ausgangssignal Φ _CP des Inverters I 1 G auf den "H"-Pegel steigt, wird das Flip-Flop 750 zurückgesetzt und die Ausgangsknoten P 1 und P 2 werden den "H"-Pegel als Leistungsversorgungspotentialpegel vorgeladen. Durch Wiederholen dieser Operation wird jeweils eine der Substrat vorspannungspotentialerzeugungsschaltungen in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Substratpotential und dem Bezugs potential aktiviert.

In dem Fall der in Fig. 24 gezeigten Bauweise sei angenommen, daß die MOSFETs Q 3 G und Q 4 G ausgeschaltet werden könnten, bevor die Differenz zwischen dem Bezugspotential Vr und dem Substratvorspannungspotential V _BB erfaßt ist, abhängig von der Erfassungsempfindlichkeit des Differenzialverstärkers vom CMOS-Flip-Flop-Typ, der durch die MOSFETs Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G und Q 12 G gebildet wird, falls das Bezugspotential Vr von der Bezugspotentialerzeu gungsschaltung 720 sehr nahe dem Wert Substratvorspannungs potentiales V _BB kommt. Dies rührt daher, daß die Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G mit einem vorbestimmten Zeitverhalten unabhängig von der Erfassung des Betriebes des Differenzialverstärkers ausgeschaltet werden d. h. die Ausgangspegel der Ausgangsknoten P 1 und P 2, da die Betriebs weise der Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G einfach durch die Verzögerungszeit der Inverter I 1 G und I 2 G gesteuert wird. Wenn daher die Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G abgeschaltet werden, bevor die Differenz zwischen dem Substratpotential V _BB und dem Bezugspotential Vr erfaßt ist, sind die Potentialpegel der Ausgangsknoten P 1 und P 2 jeweils Mittenpegel, so daß es vorkommen kann, daß ein durchdringender Stromfluß ständig von dem Leistungs versorgungspotential V _cc zu dem Massepotential durch den CMOS-Flip-Flop-Differenzialverstärker während der Zeitdauer des "H"-Pegels des Schwingungssignales Φ _CP fließt. Da allerdings das Flip-Flop 750 anstelle des Inverters für die Verzögerung gemäß Fig. 28 verwendet wird, wird der CMOS- Flip-Flop-Differenzialverstärker aktiviert, und die Abschneide-MOSFETs Q 3 G und Q 4 G können abgeschaltet werden, nachdem die Potentialpegel an den Ausgangsknoten P 1 und P 2 auf einen Pegel festgesetzt werden, der durch Differenzialverstärkung der Differenz zwischen dem Bezugs potential Vr und Substratvorspannungspotential V _BB erhalten wird. Demgemäß kann die Zeit minimiert werden, in der die Potentialpegel der Ausgangsknoten P 1 und P 2 den mittleren Pegel annehmen. Daher kann die Zeitdauer des Durchdringungs stromflußes durch den CMOS-Flip-Flop-Differenzialverstärker sehr kurz geschaltet werden, was es möglich macht, die Stromaufnahme zu vermindern und die Differenz zwischen dem Bezugspotential Vr und dem Substratvorspannungspotential V _BB sicher zu erfassen.

Fig. 31 ist eine diagrammartige Darstellung einer weiteren Bauweise eines Ausführungsbeispiels einer Bezugspotential erzeugungsschaltung. Wie in Fig. 31 gezeigt ist, umfaßt die Bezugspotentialerzeugungsschaltung 720 folgende Bauteile:
Einen Ladungspumpkondensator C 1 G zum Empfangen eines Schwingungssignals Φ _CP; einem p-Kanal-MOSFET Q 10 G zum Klammern des Potentials des Knotens B 5 auf einen Wert entsprechend der Differenz der zwischen dem Bezugspotential Vr und der Schwellenspannung Vt des MOSFET Q 10 G; einen p-Kanal-MOSFET Q 9 G zum Klammern des Potentials des Knotens B 5 auf einen Masse-Potentialpegel; einen Kondensator C 3 G und einen p-Kanal-MOSFET Q 11 G zum Steuern der Klammeroperation des MOSFET Q 9 G; und eine parasitäre Kapazität Q 2 G, die zwischen einem Leitfähigkeitsbereich (Dotierungsbereich) des MOSFET Q 10 G und dem Halbleitersubstrat (im Beispielsfall der n-Typ-Wannenbereich) gebildet wird. Das Gate des MOSFET Q 9 G ist mit dem Ladungspumpkondensator C 3 G verbunden, der das Schwingungssignal Φ _CP empfängt.

Der als die Diode verschaltete p-Kanal-MOSFET Q 11 G liegt zwischen einem Verbindungsknoten des Kondensators C 3 G und des Gate des MOSFET Q 9 G, nämlich zwischen dem Knoten B 6 und dem Massepotential.

Bei der Bauweise der in Fig. 25 gezeigten Bezugspotentialer zeugungsschaltung ist das erzeugte Bezugspotential Vr bei dem Pegel -(Vcc-Vt(9 G) - Vt(10 G)), wobei Vt (9 G) und Vt (10 G) Absolutwerte der Schwellenspannungen der MOSFETs Q 9 G und Q 10 G sind. Daher kann das bei der Schaltung gemäß Fig. 25 erhaltene Potential durch das Bezugspotential Vr nicht kliener als der oben genannte Wert gemacht werden, und kann in Absolutwerten nicht größer als dieser Wert gemacht werden. Jedoch kann bei der Schaltung gemäß Fig. 31 der Wert des Bezugspotentials Vr auf ein niedrigeres Potential gesetzt werden. Nachfolgend wird die Betriebsweise der Bezugspotentialerzeugungsschaltung gemäß Fig. 31 kurz erläutert. Wenn das Schwingungssignal Φ _CP sich bei dem "H"-Pegel befindet, beginnt das Potential des Knotens B 6, auf den "L"-Pegel aufgrund der kapazitiven Kopplung des Kondensators C 3 G zu steigen. Jedoch ist aufgrund der Funktion des MOSFET Q 11 G das Potential des Knotens B 6 auf einen Pegel nahe des Massepotentialpegels Vt (11 G) geklammert. Wenn daher das Betriebssignal Φ _CP auf den "L"-Pegel fällt und das komplementäre Schwingungssignal Φ _CP auf den "H"-Pegel steigt, beginnt das Potential des Knotens B 5, auf den "H"-Pegel zu steigen, während das Potential des Knotens B 6 auf ein negatives Potential abgesenkt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Kapazität des Kondensators C 3 G und die Schwellenspannung des MOSFET Q 11 G eingestellt sind, um freizugeben, daß das Potential des Knotens B 6 niedriger ist als die Schwellenspannung Vt(9 G) des MOSFET Q 9 G, ist der MOSFET Q 9 G vollständig durchgeschaltet oder leitfähig und der Potentialpegel des Knotens B 5 ist an den Massepoten tialpegel geklammert. Wenn daher das komplementäre Schwingungssignal Φ _CP als nächstes "L"-Pegel fällt, wird das Potential des Knotens B 5′ - (Vr-Vt(10 G)). Im Falle der Ab senkung des Potential des Knotens B 5 fällt das komplimentäre Signal Φ _CP auf den "L"-Pegel. Jedoch steigt in diesem Fall das Schwingungssignal Φ _CP auf den "H"-Pegel zu der gleichen Zeit und damit unabhängig von der Klammeroperation des MOSFET Q 11 G, und der Potentialpegel wird höher als der Schwellenspannungspegel des MOSFET Q 9 G, wodurch der MOSFET Q 9 G ausgeschaltet wird. Daher ist der erzielbare Poten tialpegel des Knotens -(Vr-Vt(10 G)). Wenn das Schwingungs signal Φ _CP ständig angelegt wird, kann das erzielbare Potential des Bezugspotentiales Vr auf -(Vcc-Vt(10 G)) ab gesenkt werden. Es sei angenommen, daß die Schwellenspannungen der MOSFETs Q 9 G und Q 10 G -1,5 Volt sind und daß das Betriebsleistungsversorgungspotential V _cc 5 Volt beträgt. Dann ist das erzielbare Potential des Bezugspotentials -2 Volt im Falle der Bauweise der Bezugspotentialerzeu gungsschaltung gemäß Fig. 25, während das erzielbare Poten tial des Bezugspotentiales auf -3,5 Volt im Falle der Bezugspotentialerzeugungsschaltung gemäß Fig. 31 eingestellt werden kann.

Wenn die Bezugspotentialerzeugungsschaltung gemäß Fig. 31 an die Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung angelegt wird, kann die in Fig. 32 gezeigte Bauweise der Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung erhalten werden. Wie in Fig. 32 gezeigt ist, hat die Substratvor spannungspotentialerzeugungsschaltung 110 mit der höheren Vorspannfähigkeit zwei Inverterstufen I _{M 1} und I _{M 2}, die kaskadenartig verschaltet sind, um das Schwingungssignal Φ _CPM zu empfangen, einen Ladungspumpkondensator C _M, der an einen Ausgang des Inverters I _{M 2} angeschlossen ist, einen Ladungspumpkondensator C _MP, der an einen Ausgang des Inverters I _{M 1} angeschlossen ist, und p-Kanal-MOSFETs, Q _1M, Q _2M und Q _3M, zum Erzeugen des Substratpotentiales. Die MOSFETs Q _1M, Q _2M und Q _3M haben die gleiche Funktion und die gleiche Bauweise, wie die MOSFETs Q 9 G, Q 10 G und Q 11 G gemäß Fig. 31.

Die Substratvorspannungspotentialerzeugungsschaltung 120 mit der kleineren Vorspannfähigkeit hat zwei Inverterstufen I _{S 1} und I _{S 2}, die kaskadenartig, um das Schwingungssignal Φ _CPS zu empfangen, einen Kondensator C _SP zum Ausführen der Ladungs pumpoperation gemäß einem Ausgangssignales eines Inverters I _{S 1}, einen Kondensator C _S zum Ausführen der Ladungspumpope ration gemäß einem Ausgangssignal eines Inverters I _{S 2}, und p-Kanal-MOSFETs Q _1S, Q _2S und Q _3S zum Erzeugen eines vorbe stimmten Vorspannungspotentialpegels gemäß der Ladungspump operation der Kondensatoren C _S und C _SP. Die MOSFETs Q _1S, Q _2S und Q _3S haben die Funktion und die gleiche Bauweise wie die MOSFETs Q 9 G, Q 10 G und Q 11 G gemäß Fig. 31. Daher ist es im Falle der Bauweise der Substratvorspannungs potentialerzeugungsschaltung gemäß Fig. 32 möglich, das Substratvorspannungspotential V _BB auf -(Vcc-Vt) in der gleichen Art wie im Falle der Bezugspotentialerzeugungs schaltung gemäß Fig. 31 einzustellen. In diesem Falle ist die Schwellenspannung Vt ein Absolutwert, der Schwellen spannung der p-Kanal-MOSFETs Q _2M und Q _2S. Daher wird es unter Verwenden dieser Struktur möglich, das Halbleitersub strat tiefer vorzuspannen und die parasitäre Kapazität des Halbleiterspeichergerätes zu reduzieren. Daher kann das Halbleiterspeichergerät mit einer höheren Zuverlässigkeit bei hoher Geschwindigkeit betrieben werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Leit fähigkeitstyp des MOSFET, welcher in der Substratvorspan nungspotentialerzeugungsschaltung enthalten ist, entgegen gesetzt zu dem oben genannten ist, können die gleichen Effekte erhalten werden.

Ferner können zusätzlich, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, eine selektive Aktivierung der Substratvorspannungspoten tialerzeugungsschaltungen unter Verwenden des NOR-Gates ausgeführt werden. Es kann allerdings auch ein NAND-Gate anstelle dessen Anwendung finden. In ähnlicher Weise können trotz der Bauweise unter Verwenden von NOR-Gates in dem Flip-Flop 750 gemäß Fig. 28 andere Gate-Strukturen, wie beispielsweise NAND-Gates, anstelle dessen verwendet werden.

Obwohl die Bauweise der Substratvorspannungspotentialerzeu gungsschaltungen für das Halbleiterspeichergerät bei vorher gehenden Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, kann eine integrierte Halbleiterschaltung verwendet werden, bei der ein vorbestimmtes Vorspannpotential allgemein an ein Halb leitersubstrat angelegt wird.

Ferner kann das Halbleitersubstrat eine Halbleiterschicht oder ein Wannenbereich mit einer Oberfläche sein, in der Schaltungselemente ausgebildet sind, soweit hieran ein vorbestimmtes Vorspannungspotential angelegt werden kann.

Bezüglich der Auffrischintervalle und der Anzahl der Auf frischzyklen in der Selbstauffrischbetriebsart wurde in der vorliegenden Beschreibung der Standardwert verwendet (z. B. 8 ms/512 Zyklen für 1 M bit DRAM, 16 ms/1024 Zyklen ür 4 M bit DRAM und 32 ms/1024 Zyklen für 16 M bit DRAM). Jedoch kann die Leistungsaufnahme in der Auffrischbetriebsart weiter vermindert werden, indem diese Parameter auf größere Werte innerhalb der Grenzen gesetzt werden, die nicht die Daten in den Speicherzellen beinträchtigen (beispielsweise 32 ms/2048 Zyklen oder 256 ms/4096 Zyklen für 4 M bit DRAM). Eine derartige Verlängerung des Auffrischintervalles und eine Verminderung der Anzahl der Auffrischzyklen kann realisiert werden, indemm der Maximalzählwert des Auffrisch adreßzählers 94 erhöht wird oder indem der Zeitgeber 93 eingestellt wird, um ein Auffrischfreigabesignal mit einer längeren Schwingungsperiodendauer zu erzeugen.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Zeitgeber 923 zur Erzeugung des Auffrischbefehlssignales (in dem Falle der " vor "-Auffrischbetriebsart, vgl. Fig. 6) zusätzlich zu dem Zeitgeber 93 zum Erzeugen des Auffrischfreigabesignales verwendet wird, können der Zeit geber 923 und der Zeitgeber 93 als gemeinsamer Zeitgeber unter Verwenden eines Binärzählers und eines Ringoszillators integriert sein.

Soweit die Anzahl der Stufen des Ringoszillators zum Erzeugen eines Signales einer gewünschten Schwingungsfrequenz betroffen ist, kann diese ebenfalls auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, um eine gewünschte Schwingungsfrequenz sicherzustellen.

Das gleiche gilt für die Anzahl der Stufen der Inverter für die Signalformung des Oszillatorausgangssignales, die unter bestimmten Umständen auch fortgelassen werden können.

Die Anzahl der Stufen der Binärzähler 93-3 (Fig. 8), die in dem Zeitgeber 93 für die Erzeugung des Auffrischfreigabe signales verwendet werden, kann ebenso entsprechend dem gewünschten Anwendungszweck variiert werden.

Fig. 8 bis 10 zeigen eine Schaltung, bei das Steuersignal Φ _C für die intermittierende Betriebsweise der Substratvorspan nungsschaltung von den Schwingungssignalen Φ _r und Φ _R in dem Zeitgeber 93 erzeugt werden. Jedoch kann die Schaltung bei spielsweise derart angeordnet werden, daß das Steuersignal Φ _C unter Verwenden des komplimentären Ausgangssignales O 1 von der ersten Stufe des Binärzählers innerhalb des Zeitgebers und dem wirklichen Ausgangssignal Φ _R von der letzten Stufe des komplimentären Ausganges O 2 der zweiten Stufe und dem Ausgangssignal Φ _R von der letzten Stufe erzeugt wird. Bei einer derartigen Anordnung kann die Puls breite des Steuersignals Φ _C gemäß Fig. 11 zwei- oder viermal so breit gewählt werden. Daher kann die Pulsbreite des Steuersignals Φ _C auf einem geeigneten Wert entsprechend der Leistungsaufnahme und der Vorspannfähigkeit des Substratvor spanngenerators in dem Schreib-Lese-Speicher eingestellt werden.

Daher kann erfindungsgemäß der Substratvorspannungsgenerator intermittierend in der Selbstauffrischbetriebsweise betrieben werden, um einen unnötigen Leistungsverbrauch zu vermeiden, wodurch ein dynamischer Schreib-Lese-Speicher mit niedriger Leistungsaufnahme erzeugt wird.

Die unnötige Leistungsaufnahme kann ferner herabgesenkt werden und ein DRAM mit noch weiter abgesenkter Leistungs aufnahme in der Selbstauffrischbetriebsart durch eine Bauweise realisiert werden, bei der der Substratvorspann generator ledigleich während der Zeitdaue betätigt wird, während der das RAM in jedem Auffrischzyklus arbeitet.

Ferner vermindert die wahlweise Betätigung der beiden Substratvorspanngeneratoren mit unterschiedlichen Kapazitäten die Leistungsaufnahme in einer noch wirksameren Weise.

Ferner können die Substratvorspannungsgeneratoren durch Steuern der selektiven Betätigung der beiden unterschied lichen Substratvorspanngeneratoren unter Verwenden des Ausgangssignales einer Schaltung, die das Substratpotential durch einen Einang mit hoher Impedanz erfaßt, mit größerer Präzision und Selektivität betrieben werden, wodurch ein weiterer Beitrag zur Verminderung der Leistungsaufnahme geleistet wird.

Claims

1. Dynamischer Schreib-Lese-Speicher, der auf einem Halbleitersubstrat (150) ausgebildet ist und eine Selbstauffrischfunktion hat, durch die in diesem gespeicherte Speicherzellendaten automatisch in Reaktion auf ein äußeres Auffrischbefehlssignal aufgefrischt werden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Einrichtung (91) zum Erzeugen eines inneren Auffrischbefehlssignales Φ _S in Reaktion auf das äußere Auffrischbefehlssignal (; , );
eine Einrichtung (94, 95, 96, 98) zum Auffrischen der Speicherzellendaten;
eine Einrichtung (92, 93) zum Erzeugen eines Signales Φ _R zum Freigeben der Datenauffrischeinrichtung (94, 95, 96, 98) in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal und auf ein Freigabesignal, wobei das Freigabesignal zyklisch zu einem vorbestimmten Intervall innerhalb der Zeitdauer erzeugt wird, in der das innere Auffrischbe fehlssignal in seinem aktivierten Zustand bleibt;
eine Einrichtung (100) zum Vorspannen des Halbleitersub strates mit einem vorbestimmten Potential; und
eine Steuereinrichtung (99, 99′) zum Aktivieren der Vor spanneinrichtung während einer Zeitdauer, die kürzer ist als das vorbestimmte Intervall des Freigabesignales, in Reaktion auf das Auffrischbefehlssignal und den Zustand der Aktivierung des Freigabesignales.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (99′) zum Aktivieren der Vorspanneinrichtung für eine Zeitdauer, die länger als die Zeitdauer des aktivierten Zustandes des Aktivie rungssignales ist, aufweist.

3. Speicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (99′), die in der Steuereinrichtung enthalten ist, die Vorspanneinrichtung über eine Zeit dauer aktiviert, die die Zeitdauer des aktivierten Zu standes des Aktivierungssignales beinhaltet.

4. Speicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (321, I _C, AN 100) zum Erzeugen eines Signales zum Aktivieren der Vorspanneinrichtung und zum Anlegen desselben an diese Einrichtung in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal und das Auffrisch aktivierungssignal; und
eine Einrichtung (I _{c 1}-I _{c 2m}) zum Deaktivieren der Vor spanneinrichtung-Aktivierungssignal-Erzeugungseinrich tung nach Verstreiche einer vorbestimmten Zeitdauer nach Anlegen des Auffrischaktivierungssignales in Reaktion auf das Auffrischaktivierungssignal.

5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Einrichtung (99) zum Aktivieren der Vorspanneinrichtung über eine Zeitdauer, die kürzer als die Zeitdauer ist, während der das Auffrischaktivierungssignal in seinem aktivierten Zustand bleibt, aufweist.

6. Speicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (99), die in der Steuereinrichtung enthalten ist, die Vorspanneinrichtung über eine Zeit dauer aktiviert, die in der Zeitdauer enthalten ist, während der das Aktivierungssignal sich in seinem aktiven Zustand befindet.

7. Speicher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, das die Aktivierungssignalerzeugungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (93-1, 93-2) zum Erzeugen eines Puls signales in einem vorbestimmten Zyklus in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal; und
eine Einrichtung (93-3) zum Zählen des Pulssignales und zum ausgangsseitigen Erzeugen des Vorspannungseinrich tungsaktivierungssignales, wenn der Zählwert einen vor stimmten Wert erreicht; und
daß die Vorspanneinrichtung-Aktivierungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (9-1) zum Erzeugen eines voreingestel ten Signales in Reaktion auf das Auffrischaktivierungs signal; und
eine Einrichtung (93-3) zum Erzeugen des Vorspannungs einrichtungs-Aktivierungssignales über eine Zeitdauer, die von dem Pulssignal in Reaktion auf das eingestellte Signal definiert wird, wenn das innere Auffrischbefehls signal sich in seinem aktiven Zustand befindet, und zum Erzeugen des Vorspanneinrichtungs-Aktivierungssignales mit einem ständig aktiven Zustand, während sich das innere Auffrischbefehlssignal in seinem inaktiven Zustand befindet.

8. Speicher nach einem derr Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung folgende Merk male aufweist:
eine Einrichtung (511) zum Erzeugen eines zweiten Aktivierungssignales in Reaktion auf das Vorspannakti vierungssignal;
eine erste und eine zweite Potentialerzeugungseinrich tung (110, 120) mit unterschiedlichen Stromzuführfähig keiten, deren Ausgänge mit dem Halbleitersubstrat ver bunden sind;
eine Einrichtung (610; 730), die mit dem Halbleitersub strat verbunden ist, um ein Potential des Halbleitersub strates durch deren Eingang zu erfassen;
eine Einrichtung (610; 710, 720, 740), die auf ein Aus gangssignal der Halbleitersubstratpotentialerfassungs einrichtung und auf das zweite Aktivierungssignal an spricht, um entweder die erste oder die zweite, nicht jedoch beide Potentialerzeugungseinrichtungen zu aktivieren.

9. Speicher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahlaktivierungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Einrichtung (720) zum Erzeugen eines Bezugspoten tials;
eine Einrichtung (740) zum Vergleichen des Ausgangssig nals der Substratpotentialerfassungseinrichtung und des Ausgangssignals der Bezugspotentialerfassungseinrich tung;
eine Einrichtung (710), die af das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung anspricht, um das zweite Aktivie rungssignal entweder zur ersten oder zur zweiten Poten tialerzeugungseinrichtung zu übertragen, um dadurch entweder die erste oder die zweite Potentialerzeugungs einrichtung (110, 120) zu aktivieren.

10. Speicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratpotentialerfassungseinrichtung einen Eingang mit hoher Impedanz hat, der mit dem Substrat gekoppelt ist, und eine Einrichtung (Q 2 G) aufweist, um das Substratpotential durch diesen Eingang zu erfassen.

11. Speicher nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Auswahlaktivierungseinrichtung (600; 710, 720, 740) eine Einrichtung (Q 5 G, Q 6 G, Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G, Q 12 G) zum Übertragen des zweiten Aktivierungssignales zu der Potentialerzeugungseinrichtung (110) mit der größeren Stromzuführungsfähigkeit von der ersten und zweiten Potentialerzeugungseinrichtung, wenn der Ausgang der Vergleichseinrichtung (740) anzeigt, daß ein Absolutwert des Potentials des Halbleitersubstrates kleiner als ein Absolutwert des Bezugspotentiales ist, aufweist.

12. Speicher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich net,
daß das zweite Aktivierungssignal ein Pulsfolgesignal ist,
daß die Substratpotentialerfassungeinrichtung einen ersten Feldeffekttransistor (Q 2 G) mit isoliertem Gate aufweist, dessen Gate-Elektrode mit dem Halbleitersub strat verbunden ist, und
daß die Vergleichseinrichtung folgende Merkmale auf weist;
einen ersten Knoten (P 2), der mit der ersten Potential erzeugungseinrichtung (110) verbunden ist,
einen zweiten Knoten (P 1), der mit der zweiten Poten tialerzeugungseinrichtung (120) verbunden ist,
einen zweiten Feldeffekttransistor (Q 1 G) mit isoliertem Gate, dessen Gate-Elektrode ein Ausgangssignal der Bezugspotentialerzeugungseinrichtung empfängt,
eine Differenzialverstärkereinrichtung (Q 7 G, Q 8 G, Q 11 G, Q 12 G), die mit dem ersten und zweiten Knoten verbunden ist, um differenziell die Potentiale auf dem ersten und zweiten Knoten zu verstärken,
eine Einrichtung (I 1 G) zum Aktivieren der Differenzial verstärkereinrichtung in Reaktion auf das zweite Aktivierungssignal, und
eine Einrichtung (Q 3 G, Q 4 G, I 2 G; Q 3 G, Q 4 G, 750) zum Steuern der Verbindung/Trennung des ersten und zweiten Knotens (P 1, P 2) mit oder von dem ersten und zweiten Feldeffekttransistor (Q 2 G, Q 1 G) mit isoliertem Gate in Reaktion auf das zweite Aktivierungssignal, wobei die Steuereinrichtung den ersten und zweiten Knoten (P 1, P 2) von dem ersten und zweiten Feldeffekttransistor (Q 2 G, Q 1 G) mit isoliertem Gate trennt, wenn die Differenzialverstärkereinrichtung aktiviert ist, und den ersten und zweiten Knoten mit dem ersten und zweiten Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate verbindet, wenn die Diefferenzialverstärkereinrichtung nicht aktiviert ist.

13. Speicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zum Aktivieren der Differenzialver stärkereinrichtung einer Einrichtung (I 1 G) zum Invertieren des zweiten Aktivierungssignales aufweist, und
daß die Verbindungs/Unterbrechungs-Steuereinrichtung einer Einrichtung (I 2 G, 750, 760) zum Verzögern des zweiten Aktivierungssignals um eine vorbestimmte Zeitdauer aufweist.

14. Speicher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Differenzialverstärkereinrichtung eine Einrich tung (Q 5 G, Q 6 G) aufweist, die in Reaktion auf das zweite Akivierungssignal zu aktivieren ist, um ein Potential von vorbestimmten Pegel sowohl an dem ersten als auch an dem zweiten Knoten (P 1, P 2) anzulegen, und
daß die vorbestimmte Potentialpegelanlegeeinrichtung in Reaktion auf die Aktivierung der Differenzialverstärker einrichtung deaktiviert wird.

15. Speicher nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich net, daß die Verzögerungseinrichtung folgende Merkmale auf weist:
eine Puffereinrichtung (760), die zwischen den ersten und zweiten Knoten und den ersten und zweiten Potential erzeugungseinrichtungen angeordnet ist und einen Inverter (I 80, I 81, I 82, I 83) aufweist, und
eine Flip-Flop-Einrichtung (750), die in Reaktion auf ein Inversionssignal des Aktivierungssignales gesetzt wird und in Reaktion auf ein Ausgangssignal des Inverters der Puffereinrichtung (760) rückgesetzt wird, um die Verbindungs/Unterbrechungs-Einrichtung zu sperren.

16. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bezugspotentialerzeugungseinrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine erste Kondensator-Einrichtung (C 1 G) mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode zum Emfpan gen des zweiten Aktivierungssignales,
eine zweite Kondensator-Einrichtung (C 3 G) mit einer dritten Elektrode und einer vierten Elektrode zum Empfangen eines Inversionssignales des zweiten Aktivie rungssignales,
einen ersten Feldeffekttransistor (Q 10 G) mit isoliertem Gate, der als Diode verschaltet ist und zwischen der ersten Kondensatoreinrichtung und einer festgelegten Region (170) in dem Halbleitersubstrat angeordnet ist,
einen zweiten Feldeffekttransistor (Q 9 G) mit isoliertem Gate, der zwischen der zweiten Elektrode der ersten Kondensatoreinrichtung und einem vorbestimmten Potential geschaltet ist und dessen Gate-Elektrode zwischen der zweiten Elektrode der zweiten Kondensatoreinrichtung verbunden ist, und
einen dritten Feldeffekttransistor (Q 11 G) mit isoliertem Gate, der als Diode verschaltet ist und zwischen der vierten Elektrode des zweiten Kondensators und einem vorbestimmten Potential angeordnet ist.

17. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß das zweite Aktivierungssignal eine Reihe von Pulssignalen ist, und daß die erste und zweite Potentialerzeugungseinrichtung folgende Merkmale ausweisen:
eine erste Kondensatoreinrichtung (CM, Cs) mit einer Elektrode zum Empfangen des zweiten Aktivierungssignales und mit einer weiteren Elektrode,
eine zweite Kondensatoreinrichung (CMP, CSP) mit einer Elektrode zum Empfangen eine Inversionssignales des zweiten Aktivierungssignales und mit einer weiteren Elektrode,
einen dritten Feldeffekttransistor (Q 2 M, Q 2 S) mit isoliertem Gate, der als Diode verschaltet ist, und zwischen der weiteren Elektrode der ersten Kondensator einrichtung und dem Halbleitersubstrat angeordnet ist,
einen vierten Feldeffekttransistor (Q 3 M, Q 3 S) mit isoliertem Gate, der als Diode verschaltet ist und zwischen der weiteren Elektrode der zweiten Kondensator einrichtung und einem vorbestimmten Potential geschaltet ist, und
einen fünften Feldeffekttransistor (Q 1 M, Q 2 S) mit isoliertem Gate, der zwischen der andere Elektrode der ersten Kondensatoreinrichtung und dem vorbestimmten Potential geschaltet ist und eine Gate-Elektrode aufweist, die mit der anderen Elektrode der zweiten Kondensatoreinrichtung verbunden ist.

18. Verfahren zum Anlegen einer Vorspannung an ein Halb leitersubstrat, auf dem ein dynamischer Schreib-Lese- Speicher mit Selbstauffrischfunktion für Speicherzel lendaten ausgebildet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Erzeugen eines inneren Auffrischbefehlssignales ( Φ _S) in Reaktion auf ein äußeres Auffrischbefehlssignal,
Erzeugen eines Auffrischfreigabesignales ( Φ _R) zu einem vorbestimmten Zeitintervall in Reaktion auf das innere Auffrischbefehlssignal;
Durchführen des Auffrischens von Speicherzellendaten in Reaktion auf das Auffrischfreigabesignal, wobei das Durchführen des Auffrischens durchgeführt wird, während sich das Auffrischfreigabesignal in seinem aktivierten Zustand befindet;
Anlegen eines Vorspannungspotentiales an das Halbleiter substrat während lediglich eines Teiles des Erzeugungs zyklus des Auffrischfreigabesignales in Reaktion auf das Auffrischbefehlssignal und das Auffrischfreigabesignal.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vorspannes des Substrates einen Schritt des Anlegens einer Vorspannung an das Halblei tersubstrat während einer Zeitdauer, die den aktivierten Zustand des Auffrischfreigabesignales beinhaltet, auf weist.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schritt des Vorspannes des Substrates einen Schritt des Anlegens einer Vorspannung an das Halblei tersubstrat lediglich während eines Teiles der Zeitdauer aufweist, während der sich das Auffrischfreigabesignal in aktiviertem Zustand befindet.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Anlegens der Substratvorspannung folgende Schritte umfaßt:
Erzeugen eines Bezugspotentials,
Erfassen eines Potentiales des Halbleitersubstrates unter Verwenden eines Detektors mit einem Eingang von hoher Eingangsimpedanz, wobei der Eingang des Detektors mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist,
Vergleichen des ersten Potentiales des Substrates und des Bezugspotentiales, und
Aktivierung von nur einem, nicht beiden, der ersten und zweiten Vorspannungspotentialerzeugungseinrichtung auf der Grundlage der Vergleichsergebnisse, wobei die erste und zweite Vorspannungspotentialerzeugungseinrichtung unterschiedliche Vorspannungspotentialzuführfähigkeiten bezogen aufeinander haben.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vergleichens und selektiven Aktivie rens folgende Verfahrensschritte umfaßt:
Erzeugen eines Aktivierungssignales,
Erzeugen von Signalen entsprechend dem Bezugspotential und dem Potentiales des Substrates in Reaktion auf das Aktivierungssignal,
differenzielles Verstärken der erzeugten Signale in Reaktion auf die Aktivierungssignale, und
Übertrages des Aktivierungssignales entweder zur ersten oder zur zweiten Vorspannungserzeugungseinrichung auf der Grundlage des Ergebnisses der differenziellen Verstärkung.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Vergleichens und selektiven Akti vierens folgende Verfahrensschritte umfassen:
Erzeugen eines Aktivierungssignales in Pulsform,
Erfassen des erzeugten Bezugssignales,
Übertragen des erfaßten Bezugssignales und des Poten tiales des Substrates zu einem ersten und einem zweiten Knoten,
differenzielles Verstärken der Potentiale des ersten und zweiten Knotens,
Anhalten der Übertragung des Bezugspotentiales und des Potentiales des Substrates zu dem ersten und zweiten Knoten in Reaktion auf die differenzielle Verstärkungs operation,
Einstellen eines vorbestimmten Potentiales an dem ersten und zweiten Knoten nach Beendigung der differenziellen Verstärkungsoperation, und
Anlegen der Potentiale des ersten und zweiten Knotens an die erste und zweite Vorspannungserzeugungseinrichtung.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Anlegens des Substratvor spannungspotentials folgende Schritte umfaßt:
Erzeugen eines Bezugspotentiales;
Erfassen eines Potentiales des Halbleitersubstrates;
Vergleichen des erfaßten Potentiales mit dem Bezugs potential; und in Reaktion hierauf wahlweise Anlegen einer ersten Stromquelle mit einem vergleichsweise hohen Strom oder einer zweiten Stromquelle mit einem vergleichsweise niedrigen Strom an das Substrat, ohne daß die Stromquellen gleichzeitig angelegt werden, um eine Substratvorspannung zu erzeugen.