DE4039524C2

DE4039524C2 - Substratspannungserzeuger für eine Halbleitereinrichtung und Verfahren zum Erzeugen einer Substratspannung

Info

Publication number: DE4039524C2
Application number: DE4039524A
Authority: DE
Inventors: Kazutami Arimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1995-08-31
Anticipated expiration: 2010-12-12
Also published as: DE4039524A1; KR910019056A; US5315166A; JP2557271B2; JPH03290894A; US5304859A; KR940001491B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Substratspannungserzeuger für eine Halbleitereinrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Substratspannung.

In letzter Zeit wurden 4M (Mega-)Bit statische Speicher mit wahlfreiem Zu griff (SRAMs) und 16M (Mega-)Bit dynamische Speicher mit wahlfreiem Zugriff, die Mikrolithographie mit 0,5 µm Strukturgröße verwenden, entwickelt und sind veröffentlicht worden. Es wird ausgeführt, daß die Transistoreigenschaften aufgrund des zeitabhängigen dielektrischen Durchbruches des Gate-Isolierfilmes oder ähnlichem beträchtlich ver schlechtert werden, falls ein MOS-Transistor mit kurzem Kanal (Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate), dessen Gate-Länge gerin ger als 0,6 µm beträgt, mit einer Versorgungsspannung von 5 V in der selben Weise betrieben wird wie ein MOS-Transistor mit einer Gate- Länge von etwa 1 µm bis 0,8 µm in einem 4M-Bit-DRAM oder einer ähnli chen Einrichtung. Dies bewirkt eine verminderte Zuverlässigkeit.

Um einen MOS-Transistor mit kurzem Kanal mit einer Gate-Länge von 0,5 µm zu benutzen, ohne daß eine derartige Verschlechterung der Transistoreigenschaften auftritt, kann eine Senkung der Versorgungs spannung von 5 V auf beispielsweise 3,3 in Betracht gezogen werden. Im Hinblick auf eine Anpassung an das üblicherweise benutzte 5 V-Ver sorgungssystem tritt jedoch mit der Änderung der Versorgungsspannung ein Problem auf. Es ist daher ein System vorgeschlagen worden zum Betreiben eines internen Schaltkreises einer Halbleiterspeicherein richtung durch eine herabgestufte Spannung von beispielsweise 3,3 V, während die externe Versorgungsspannung wie beim Stand der Technik üblich auf 5 V gehalten wird.

Fig. 1 stellt ein funktionales Blockdiagramm einer herkömmlichen Halbleitereinrichtung mit internem Spannungsabsenkungskonverter dar. Bezüglich der Fig. 1 weist die Halbleitereinrichtung einen sog. Funkti onsschaltkreis 101, der beispielsweise von einem Speicher gebildet wird, zum Ausführen einer vorbestimmten Funktion und einen Ein- /Ausgabeschaltkreis 102 zum Übertragen von Daten zwischen dem Funk tionsschaltkreis 101 und einer externen Einheit auf. Die Halbleiter einrichtung umfaßt ferner einen internen Spannungsabsenkungskonver ter 103 zum Absenken einer extern angelegten Versorgungsspannung V_occ und zum Erzeugen einer vorgeschriebenen internen Versorgungs spannung V_icc sowie einen Substratspannungserzeuger (V_BB-Erzeuger) 104, der von der externen Versorgungsspannung V_occ abhängig ist, zum Erzeugen einer vorgeschriebenen Vorspannung und zum Anlegen dersel ben an das Halbleitersubstrat 100.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Halbleitereinrichtung ist der interne Spannungsabsenkungskonverter 103 auf dem Halbleitersubstrat 100 in tegriert, und es wird die externe Versorgungsspannung V_occ vom in ternen Spannungsabsenkungskonverter 103 herabgestuft konvertiert, wodurch die vorgeschriebene interne Versorgungsspannung V_icc erzeugt wird. In manchen Fällen wird die vorgeschriebene interne Versor gungsspannung V_icc nur dem Funktionsschaltkreis 101 zugeführt und in manchen anderen Fällen sowohl dem Funktionsschaltkreis 101 als auch dem Ein-/Ausgabeschaltkreis 102.

Fig. 2 stellt ein Blockdiagramm des in Fig. 1 gezeigten internen Spannungsabsenkungskonverters dar, der beispielsweise von Furuyama et al im IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-22, Nr. 3, Juni 1987, S. 437-441 beschrieben worden ist.

Bezüglich der Fig. 2 weist der interne Spannungsabsenkungskonverter 103 folgendes auf: einen Referenzspannungs-Erzeugerschaltkreis 110 zum Erzeugen einer vorgeschriebenen Referenzspannung V_ref aus der externen Versorgungs spannung V_occ, einen Differenzverstärker 111, der mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, zum Vergleichen der internen Versorgungsspannung V_icc und der Refe renzspannung V_ref und zum Erzeugen eines Steuersignales (Regelsignales) Φ_x entsprechend dem Vergleichsergebnis, und einen vom Regelsignal Φ_x vom Differenzverstärker 111 abhängi gen Ausgabeschaltkreis 112 zum Empfangen eines Stromes von der ex ternen Versorgungsspannung V_occ und Erzeugen der internen Versor gungsspannung V_icc.

Der Differenzverstärker 111 verstärkt die Referenzspannung V_ref und die interne Versorgungsspannung V_icc differentiell, wodurch das Regelsignal Φ_x erzeugt wird.

Fig. 3 stellt ein Diagramm einer bestimmten Konstruktion des in Fig. 2 gezeigten internen Spannungsabsenkungskonverters dar. Bezüglich der Fig. 3 weist der Referenzspannungs-Erzeugerschaltkreis 110 fol gendes auf: drei in Reihe zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und eine zweite Versorgungsspannung V_ss als beispielsweise Mas sepotential geschaltete p-Kanal MOS-Transistoren P₁, P₂, P₃, eine zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und einen Knoten N₂ geschalteten p-Kanal MOS-Transistor P₄, der an seinem Gate das Po tential eines Knotens N₁ empfängt, und einen zwischen den Knoten N₂ und das zweite Versorgungspotential (im weiteren der Einfachheit halber als Massepotential bezeichnet) V_ss geschalteten p-Kanal MOS- Transistor P₅. Die Gateanschlüsse und Drainanschlüsse der p-Kanal MOS-Transistoren P₁ bis P₃ sind miteinander verbunden, um als Widerstände zu wirken, so daß eine deren Durchlaßwiderstand entsprechende Spannung dem Knoten N₁ zugeführt wird. Der p-Kanal MOS-Transistor P₄ empfängt an seinem Gate das Potential des Knotens N₁ und weist einen Widerstandswert entsprechend dem Gate-Potential auf und überträgt ferner Strom von der externen Versorgungsspannung V_occ zum Knoten N₂. Diese p-Kanal MOS-Transistoren P₁ bis P₄ stellen für den p-Kanal MOS-Transistor P₅ eine konstante Stromlast dar. Nun wird der Betrieb dieses Referenz spannungs-Erzeugerschaltkreises kurz beschrieben.

Es wird nun ein Fall angenommen, bei dem die Versorgungsspannung V_occ erhöht ist. In diesem Fall fließt ein hoher Strom über einen Pfad, der von den Transistoren P₁ bis P₃ gebildet wird, wodurch das Potential des Knotens N₁ ansteigt. Als Reaktion auf den Potentialan stieg des Knotens N₁ steigt auch das Gate-Potential des Transistors P₄ an. Damit erhöht sich der Widerstandswert des Transistors P₄ und der Stromfluß im Transistor P₄ wird vermindert.

Wird umgekehrt die externe Versogungsspannung V_occ abgesenkt, so wird der Stromfluß über den Pfad, der von den Transistoren P₁ bis P₃ gebildet wird, kleiner. Damit wird das Potential des Knotens N₁ ab gesenkt und der Widerstandswert des Transistors P₄ wird klein, wo durch der Stromfluß durch den Transistor P₄ größer wird. Das Gate-Potential des Transistors P₄ wird entsprechend der Änderung der externen Spannungsversorgung V_occ reguliert, wodurch stets ein kon stanter Strom in den Knoten N₂ fließt und eine konstante Referenz spannung V_ref proportional zum Absolutwert der Schwellenspannung V_TP des Transistors P₅ am Knoten N₂ auftritt (für den Fall, daß eine Mehrzahl von Transistoren P₅ gebildet ist).

Der Differenzverstärker 111 weist einen zwischen der externen Ver sorgungsspannung V_occ und einem Knoten N₃ gebildeten p-Kanal MOS- Transistor, dessen Gate ein Taktsignal Φ_c empfängt, einen zwischen der externen Versorgungsspannung V_occ und dem Knoten N₃ gebildeten p-Kanal MOS-Transistor P₁₁, dessen Gate mit dem Massepotential V_ss verbunden ist, einen zwischen dem Knoten N₃ und einem Knoten N₄ ge bildeten p-Kanal MOS-Transistor P₁₂, dessen Gate die Referenzspan nung V_ref empfängt, einen zwischen den Knoten N₃ und N₅ gebildeten p-Kanal MOS-Transistor P₁₃, dessen Gate die interne Versorgungsspan nung V_icc empfängt, einen zwischen dem Knoten N₄ und dem Massepoten tial V_ss gebildeten n-Kanal MOS-Transistor NT₁, dessen Gate mit dem Knoten N₅ verbunden ist, und einen zwischen dem Knoten N₅ und dem Massepotential V_ss gebildeten n-Kanal MOS-Transistor, dessen Gate mit dem Knoten N₅ und dem Gate des Transistors NT₁ verbunden ist, auf.

Der Transistor P₁₀ besitzt eine relativ große Stromzuführungsfähig keit auf, während der Transistor P₁₁ nur eine geringe aufweist, so daß nur ein sehr geringer Strom fließen kann. Das Steuersignal Φ_c wird während einer Zeitspanne, in der der Funktionsschaltkreis 101 (in Fig. 1 dargestellt) der Halbleitereinrichtung arbeitet, auf einen logisch niedrigen (L-)Pegel eines aktivierten Zustandes ge setzt, und während einer Periode, in der der interne Schaltkreis nicht arbeitet, auf einen logisch hohen (H-)Pegel eines deaktivier ten Zustandes gesetzt. Damit befindet sich der Transistor P₁₀ mit großer Stromzuführungsfähigkeit während der Operation des internen Schaltkreises in einem leitenden Zustand, um die Reaktionseigen schaften eines Stromspiegelverstärkers (d. h., der von den Transisto ren P₁₂, P₁₃, NT₁ und NT₂ gebildeten Schaltkreisstufe) zu verbes sern, während sich in der Zeitspanne ohne Betrieb des internen Schaltkreises nur der Transistor P₁₁ im leitenden Zustand befindet, wodurch die Leistungsaufnahme verringert wird. Das Umschalten zwi schen Betrieb und Nicht-Betrieb des internen Schaltkreises erfolgt in der folgenden Weise. Stellt der Funktionsschaltkreis 101 bei spielsweise einen Speicher dar, so wird das Steuersignal Φ_c in Ab hängigkeit von einem Signal (z. B. einem Signal ) erzeugt, das an gibt, ob ein Speicherzyklus gestartet wird oder nicht.

Der Ausgangsschaltkreis 112 ist zwischen der externen Versorgungs spannung V_occ und der internen Spannungsversorgungsleitung V_occ (die Signalleitung und das auf dieser übertragene Signal werden durch dasselbe Bezugszeichen bezeichnet) gebildet und weist einen p-Kanal MOS-Transistor P₁₅ auf, dessen Gate das Potential des Knotens N₄ des Differenzverstärkers 111 als Regelsignal Φ_x empfängt. Als nächstes wird der Betrieb des Differenzverstärkers 111 und des Aus gabeschaltkreises 112 beschrieben.

Es wird nun angenommen, daß die interne Versorgungsspannung V_icc größer als die Referenzspannung V_ref wird.

In diesem Fall ist der durch den Transistor P₁₂ fließende Strom grö ßer als der durch den Transistor P₁₃ fließende. Der Knoten N₅ ist mit den Gates der Transistoren NT₁ und NT₂ verbunden, wobei die Transistoren NT₁ und NT₂ einen Stromspiegelschaltkreis bilden. Das Potential des Knotens N₅ ist proportional zum Strom durch den Tran sistor P₁₃. Je größer der Strom durch den Transistor P₁₃ ist, desto höher liegt das Potential des Knotens N₅, während dieses Potential umso kleiner ist, je kleiner der Strom ist. Die Werte des Stromflus ses in den Transistoren NT₁ und NT₂ wird gleich und folglich erlaubt der Transistor NT₁ keinen ausreichend hohen Stromfluß im Transistor P₁₂, wodurch das Potential des Knotens N₄ ansteigt. Als Reaktion auf den Anstieg des Potentiales des Knotens N₄, d. h., des Regel signales Φ_x, wird der Transistor P₁₅ in einen leicht leitenden oder sperrenden Zustand gebracht. Damit wird die Übertragung des Stromes von der externen Versorgungsspannung V_occ zur internen Versorgungs spannungsleitung V_icc unterbrochen oder unterdrückt und die interne Versorgungsspannung V_icc abgesenkt.

Ist die interne Versorgungsspannung V_icc niedriger als die Referenz spannung V_ref, so wird die Regelspannung Φ_x entgegengesetzt zum oben erwähnten Fall abgesenkt und der Transistor P₁₅ wird in einen leitenden Zustand gebracht. Damit wird ein ausreichender Strom von der externen Versorgungsspannung V_occ zur internen Versorgungs spannungsleitung V_icc übertragen, wodurch die interne Versorgungs spannung V_icc angehoben wird.

Wie oben beschrieben worden ist, wird der Ausgangspegel des Aus gangsschaltkreises 112 zum Differenzverstärker rückgekoppelt, wo durch die interne Versorgungsspannung V_icc konstant gehalten wird.

Tritt in diesem Fall eine starke Verzögerung im Rückkoppelungspfad zum Differenzverstärker 111 auf, so oszilliert der Ausgangspegel des Ausgangsschaltkreises 112, d. h., die interne Versorgungsspannung V_icc und es dem Potentialpegel wird somit eine wellige Komponente überlagert. Eine derartige Oszillation des Ausgangspegels des Aus gangsschaltkreises 112 wird durch eine ausreichende Verminderung der Rückkoppelungsverzögerung zum Differenzverstärker unterdrückt.

Fig. 4 zeigt einen Graphen der Abhängigkeit der internen Versor gungsspannung V_icc, die vom internen Spannungsabsenkungskonverter gemäß Fig. 3 erzeugt wird, von der externen Versorgungsspannung V_occ, wie dies von Furuyama et al im oben erwähnten Zeitschriftenartikel beschrieben worden ist. In der Fig. 4 stellen die Ordinate die interne Versor gungsspannung V_icc und die Abszisse die externe Versorgungsspannung V_occ dar. Wie sich aus der Fig. 4 ergibt, wird die interne Versor gungsspannung V_icc, die durch Spannungskonversion erhalten wird, im Bereich der externen Versorgungsspannung V_occ von 3,5 V oder mehr auf einem konstanten Wert von etwa 3,5 V gehalten, der als Referenzspan nung V_ref eingestellt worden ist. Es ist ferner ersichtlich, daß für den Fall einer externen Versorgungsspannung V_occ von z. B. 7 V die interne Versorgungsspannung V_icc etwa 4 V beträgt.

Stellt die Halbleitereinrichtung eine Speichereinrichtung wie bei spielsweise einen DRAM dar, d. h., weist der Funktionsschaltkreis in Fig. 1 ein Speicherzellenfeld auf, so ist im allgemeinen, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Substratspannungserzeuger 104 gebildet. Der Sub stratspannungserzeuger 104 legt ein vorgeschriebenes negatives Po tential an das Substrat 100 an, falls das Halbleitersubstrat 100 ein P-Substrat ist. Der Sinn des Anlegens einer derartigen negativen Vorspannung an das P-Halbleitersubstrat liegt darin, (1) eine Inji zierung von Elektronen in das Substrat aufgrund eines Unterschwin gers auf einer Signalleitung zu verhindern, (2) die Schwellenspan nung und die Betriebseigenschaften durch Abschwächung der Substrat effekte von n-Kanal MOS-Transistoren zu stabilisieren, (3) die Ar beitsgeschwindigkeit von MOS-Transistoren durch eine Verminderung der Streukapazität, die an der Übergangskapazität zwischen Substrat und einer N-Störstellenschicht beteiligt ist, zu erhöhen, (4) die Erzeugung eines parasitären MOS-Transistors zu vermeiden, indem die Bildung einer Inversionsschicht in einem Isolierfilmbereich für die Bauelementisolierung (einem Feldoxidfilm) verhindert wird, und (5) einen Anstieg des Substratpotentiales durch eine kapazitive Kopplung zwischen der Spannungsversorgungsleitung und dem Substrat zu vermeiden. Der oben erwähnte Substrateffekt stellt eine Erscheinung dar, durch welche die Schwellenspannung und der Drain-Strom eines auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates gebildeten n-Kanal MOS-Transistors entsprechend dem Potential des Halbleitersubstrates variieren.

Fig. 5A zeigt eine spezielle Konstruktion eines allgemein benutzten Substratspannungserzeugers. Bezüglich der Fig. 5A weist der Sub stratspannungserzeuger 104 einen Ringoszillator 201, der eine Oszil lation mit vorbestimmter Frequenz ausführt, und einen Ladungspump schaltkreis 202 auf, der vom Oszillationssignal vom Ringoszillator 201 abhängig ist, um Elektronen in das Halbleitersubstrat zu inji zieren und das Substrat mit einem vorbestimmten negativen Potential (im Falle eines P-Halbleitersubstrates) vorzuspannen. Der Ringoszil lator 201 weist in einer ungeraden Zahl von Stufen kaskadenförmig verbundene Inverter I1, I2, . . ., Im auf. Der Ausgang des Inverters Im der letzten Stufe ist mit dem Eingangsbereich des Inverters I1 der ersten Stufe verbunden. Die Oszillationsfrequenz des Ringoszil lators 201 wird im wesentlichen von der Zahl der Stufen der mitein ander verbundenen Inverter und der Verzögerungszeit in jedem der In verter I1 bis Im bestimmt.

Der Ladungspumpschaltkreis 202 umfaßt einen Kondensator C₁, dessen eine Elektrode ein Ausgangssignal f vom Ringoszillator 201 empfängt, einen n-Kanal MOS-Transistor NT₁₁, dessen Gate und eine Elektrode (Drain) mit der anderen Elektrode (Knoten N₂₀) des Kondensators C₁ und dessen anderer Leitungsanschluß mit dem Massepotential V_ss ver bunden ist, und einen n-Kanal MOS-Transistor NT₁₀, dessen einer Lei tungsanschluß und Gate mit dem Halbleitersubstrat und der andere Leitungsanschluß mit dem Knoten N₂₀ verbunden ist. Ein Verbindungs punkt zwischen dem Gate und einem Leitungsanschluß des Transistors NT₁₀ stellt den Ausgangsbereich für die Substratvorspannung V_BB dar. Als nächstes wird der Betrieb des Substratspannungserzeugers be schrieben.

Es wird nun ein Fall angenommen, bei dem die Schwellenspannung der MOS-Transistoren NT₁₀ und NT₁₁ gleich V_tn, der H-Pegel des Oszilla tionssignales f gleich V_cc (d. h., gleich dem Pegel der Betriebsver sorgungsspannung) und der L-Pegel gleich V_ss ist. Wenn das Oszilla tionssignal f auf den H-Pegel ansteigt, wird eine Ladung, die vom Produkt der Kapazität des Kondensators C₁ und dem H-Pegel des Oszil lationssignales f bestimmt wird, aufgrund kapazitiver Kopplung des Kondensators C₁ in den Knoten N₁₀ injiziert, wodurch das Potential des Knotens N₁₀ ansteigt. Damit wird der Transistor NT₁₀ gesperrt und der Transistor NT₁₁ leitend. Das erhöhte Potential des Knotens N₂₀ wird vom leitenden Transistor NT₁₁ entladen und das Potential des Knotens N₁₀ wird zum Zeitpunkt der ersten Ladungsinjektionsope ration betragsmäßig gleich V_ss+V_tn.

Wenn das Oszillationssignal f dann auf den L-Pegel abfällt, wird die Ladung am Knoten N₂₀ durch die kapazitive Kopplung des Kondensators C₁ abgezogen, wodurch das Potential des Knotens N₂₀ sinkt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der Transistor NT₁₀ durch und der Transistor NT₁₁ sperrt. Damit wird die Ladung aus dem Halbleitersubstrat abgezogen und dessen Potential wird etwas abgesenkt.

Durch Wiederholen der oben erwähnten Operation wird das Potential des Halbleitersubstrates allmählich durch das Abziehen von Ladungen, nämlich der Injektion von Elektronen, abgesenkt, so daß das Poten tial schließlich den folgenden negativen Pegel erreicht:

2V_tn - V_cc.

Normalerweise werden die wie oben erwähnt im Ringoszillator 201 ent haltenen Inverter I1 bis Im bei dem in Fig. 5B dargestellten her kömmlichen Aufbau von CMOS-Transistoren gebildet (d. h., Inverter mit p-Kanal MOS-Transistoren PQ und n-Kanal MOS-Transistoren NQ) und es wird die externe Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungs spannung verwendet.

Nun wird die Halbleitereinrichtung anhand des Beispiels eines DRAM beschrieben. Es ist möglich, zwei Arten von Spannungen, d. h., die externe Versorgungsspannung V_occ und die interne Versorgungsspannung V_icc, als Betriebsversorgungsspannung der Halbleitereinrichtung mit internem Spannungsabsenkungskonverter zu erhalten. Damit kann eine der folgenden Spannungen:

(1) die extern angelegte Versorgungsspannung V_occ,
(2) die vom internen Spannungsabsenkkonverter herabgestufte interne Versorgungsspannung V_icc

als Betriebsversorgungsspannung des Substratspannungs-Erzeuger schaltkreises benutzt werden.

Das Verfahren zum Anlegen der Betriebsversorgungsspannung an den DRAM kann dabei eines der beiden folgenden sein.

A: Es wird nur ein Schaltkreis des Ein-/Ausgabebereiches wie bei spielsweise ein Datenein-/ausgabepuffer oder ein Adreßpuffer mit der externen Versorgungsspannung V_occ und alle anderen Peripherie schaltkreise und der Speicherfeldbereich werden mit der internen Versorgungsspannung V_icc betrieben. Dies basiert auf den folgenden Besonderheiten. Weist die externe Einrichtung einen MOS-Transistor auf, der mit einer Betriebsversorgungsspannung von 5 V arbeitet, so muß der Ein-/Ausgabeschaltkreis ein Signal mit einer Schwingung von 5 V bis 0 V ausgeben, und im internen Schaltkreis (einschließlich des Peripherieschaltkreises und des Speicherfeldbereiches) ermöglicht die Verwendung der internen Versorgungsspannung V_icc aus den unten dargelegten Gründen eine Verbesserung der Zuverlässigkeit sowie eine Verminderung der Leistungsaufnahme und einen Hochgeschwindigkeitsbe trieb.

Die Änderung der internen Versorgungsspannung V_icc ist kleiner als die Änderung der externen Versorgungsspannung V_occ. Ferner ist es nicht erforderlich, der Betriebstaktung in der Halbleiterspeicher einrichtung eine große Toleranz zu geben. Genauer gesagt hängt die Betriebsgeschwindigkeit der Peripherieschaltung, die proportional dem Treibungsvermögen des Transistors ist, in erheblichem Maße von der Versorgungsspannung und insbesondere der Gate-Spannung ab. Die Schaltkreiskomponenten, wie beispielsweise das Speicherfeld und die Leseverstärker, weisen eine große Lastkapazität auf und entsprechend wird deren Arbeitsgeschwindigkeit von einer CR-Zeitkonstanten der Lastkapazität und des Widerstandes bestimmt. Damit ist deren Span nungsabhängigkeit nicht so ausgeprägt wie bei der Peripherieschal tung. Wird die interne Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversor gungsspannung für die Peripherieschaltung verwendet, so wird es folglich möglich, die Betriebsgeschwindigkeit der Peripherieschal tung und diejenige des Speicherfeldbereiches anzupassen und die Zu griffszeit zu verkürzen.

B: Es wird nur der Speicherfeldbereich mit der internen Versorgungs spannung V_icc betrieben, die herabgestuft worden ist, und alle ande ren Ein-/Ausgangsschaltkreise und die Peripherieschaltung werden mit der externen Versorgungsspannung V_occ betrieben. Dies ist ein Ver fahren zum Einsetzen eines DRAM auf der Basis des herkömmlichen Auslegungs verfahrens mit möglichst wenig Änderungen. Im Speicherfeldbe reich tritt aufgrund einer Wortleitung, die die höchste Spannung empfängt, und deren Treiberschaltkreis, häufig ein Zuverlässig keitsproblem mit Speicherzellen auf, wodurch es erforderlich ist, den Speicherfeldbereich mit der internen Versorgungsspannung V_icc zu betreiben.

Aus den oben erwähnten Betrachtungen ergeben sich vier Kombinationen für das System zum Anlegen der Versorgungsspannung für den DRAM und das Spannungsanlegungsystem für den Substratspannungserzeuger. Im weiteren werden die Kombinationen der jeweiligen Systeme zum Anlegen der Versorgungsspannung diskutiert.

i) Kombination (1)-A

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird das interne Versorgungspotential V_icc selbst dann auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten, wenn die externe Versorgungsspannung V_occ größer als V_ref wird. Falls beispielsweise die externe Versorgungsspannung V_occ auf 7 V an steigt, beträgt die der Peripherieschaltung und dem Speicherfeldbe reich zugeführte interne Versorgungsspannung V_icc ungefähr 4 V. Zu diesem Zeitpunkt wird die vom Substratspannungserzeuger 104 erzeugte Vorspannung aufgrund der Relation (2V_tn-V_occ) mit einer Schwellen spannung V_tn von ungefähr 1 V etwa -5 V, so daß die Substratvorspannung tief absinkt.

Beträgt die externe Versorgungsspannung V_occ 5 V, so wird die Sub stratvorspannung zu etwa -3 V und die Substratvorspannung wird im Vergleich zur internen Versorgungsspannung V_icc, die dem Speicher feldbereich zugeführt wird, ziemlich niedrig.

Für den Fall eines herkömmlichen DRAM, der keine Herabstufung der Versorgungsspannung ausführt, beträgt dessen Substratvorspannung etwa -3 V, wenn man annimmt, daß die Betriebsversorgungsspannung gleich 5 V ist (mit einer Schwellenspannung V_th = 1,0 V).

Folglich tritt im Falle einer derartigen Kombination das Problem auf, daß die Substratvorspannung im Vergleich zur Betriebsversor gungsspannung im Speicherfeldbereich niedrig wird. Ist die Substratvor spannung zu tief, so ergeben sich allgemein die folgenden Nachteile. Die Schwellenspannung des MOS-Transistors wird erhöht und ferner vergrößert sich die im Datenspeicherungsabschnitt einer Speicher zelle gebildete Verarmungsschicht, so daß viele Bereiche erzeugt werden, die elektrische Ladungen sammeln, die im Substrat z. B. durch α- Strahlen erzeugt worden sind. Damit ergibt sich eine hohe Wahr scheinlichkeit, daß Elektronen gespeichert werden, die in den Spei cherabschnitten durch α-Strahlen erzeugt worden sind, wodurch eine Erhöhung der "Soft-Error-Rate" in der Halbleiterspeichereinrichtung bewirkt wird.

Erhöht sich die Betriebsversorgungsspannung des Substratspannungser zeugers, so wird die Arbeitsgeschwindigkeit der in diesem enthalte nen Inverter größer und die Oszillationsfrequenz des Ringoszilla tors 201 (in Fig. 5A gezeigt) erhöht sich, wodurch der Stromver brauch ansteigt. Die Menge der vom Ladungspumpschaltkreis 202 (siehe Fig. 5A) in das Substrat injizierten Elektronen wird im wesentlichen von der Oszillationsfrequenz des Ringoszillators 201 und der Kapazi tät des Kondensators, der im Ladungspumpschaltkreis 202 enthalten ist, bestimmt. Wird die Frequenz des Ringoszillators erhöht, so steigt die Menge der vom Ladungspumpschaltkreis 202 injizierten Elektronen an und die in das Substrat injizierten Elektronen erzeu gen durch Stoßionisation oder andere Erscheinungen weitere Elektro nen. Dadurch kann eine Zerstörung der in den Speicherzellen gespei cherten Daten mit großer Wahrscheinlichkeit auftreten.

ii) Kombination (1)-B

Auch bei dieser Kombination arbeitet der Substratspannungserzeuger mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungs spannung und es tritt dasselbe Problem wie bei der oben erwähnten Kombination (1)-A auf. Damit werden die Zuverlässigkeit und die Ei genschaft einer geringen Leistungsaufnahme verschlechtert.

iii) Kombination (2)-A

Wird die externe Versorgungsspannung V_occ an die Speichereinrichtung angelegt, so ist eine gewisse Zeit erforderlich, bis der interne Spannungsabsenkungskonverter stabil wird und eine stabile interne Versorgungsspannung V_icc bereitstellt. Der Grund hierfür ist, daß es eine bestimmte Zeit dauert, bis der Referenzspannungs-Erzeuger schaltkreis 110 und der Differenzverstärker 111 (siehe Fig. 2 und 3) beide stabil und normal arbeiten.

In diesem Fall arbeitet der Substratspannungserzeuger 104 mit der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung und entsprechend dauert es sehr lange, bis das Potential des Halb leitersubstrates ein vorbestimmtes negatives Potential erreicht und auf diesem negativen Potential stabil ist. Ferner neigt das Sub stratpotential in diesem Fall bei einem DRAM mit CMOS-Struktur dazu, durch kapazitive Kopplung zwischen der Spannungsversorgungsleitung (der Leitung zum Anlegen der externen Versorgungsspannung) und dem Substrat zum Zeitpunkt des Beginns der Zuführung der externen Ver sorgungsspannung anzusteigen (ein positives Potential zu erreichen) . Folglich wird ein üblicherweise im CMOS-Transistor gebildeter para sitärer Thyristor aufgrund des Substratpotentialanstieges leitend und es tritt eine sog. Latch-up-Erscheinung auf, bei der Strom von der Versorgungsspannungsleitung zur Masseleitung fließen kann.

Der Ein-Ausgangsschaltkreis (wie beispielsweise der Ausgangstransi stor), der mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebs versorgungsspannung arbeitet, führt zu einem großen Stromfluß von der externen Spannungsversorgung zum Substrat, wenn die externe Ver sorgungsspannung V_occ aus irgendeinem Grund ansteigt, und es werden aufgrund von Stoßionisationserscheinungen durch den großen Strom Lö cher in das Halbleitersubstrat injiziert.

Der Substratspannungserzeuger 104 arbeitet mit der internen Versor gungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung und das Substrat potential wird im Vergleich zum Fall der externen Versorgungsspan nung flacher eingestellt. Falls die externe Versorgungsspannung V_occ scharf ansteigt, so steigt folglich auch das Halbleitersubstratpo tential an, da der Ladungspumpschaltkreis 202 nur Elektronen ent sprechend der internen Versorgungsspannung zuführt. Damit kann sogar beim normalen Betrieb die Latch-up-Erscheinung auftreten und die Schwellenspannungen der MOS-Transistoren, die nicht nur im Speicher feldbereich sondern auch in der Peripherieschaltung enthalten sind, schwanken, wodurch die Zuverlässigkeit der Halbleiterspeicherein richtung nicht aufrecht erhalten werden kann.

iv) Kombination (2)-B

Auch in diesem Fall arbeitet der Substratspannungserzeuger mit der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung. Damit ist aus denselben Gründen wie im Falle der Kombination (2)-A eine lange Zeit erforderlich, bis das Potential des Halbleitersub strates auf einem vorbestimmten Vorspannungspotential stabil wird, und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, daß das Potential des Halbleitersubstrates angehoben wird, wodurch die Zuverlässigkeit der Halbleiterspeichereinrichtung verschlechtert wird.

Die oben angeführten Diskussionen sind mit Ausnahme des Problemes der Soft-Errors auch auf Speichereinrichtungen wie SRAMs anwendbar. Die Diskussionen betreffen ferner allgemein Halbleitereinrichtungen, bei denen das Substratpotential auf einem vorbestimmten Vorspan nungspegel gehalten wird.

Wie oben beschrieben worden ist, arbeitet in einer Halbleiterein richtung mit internem Spannungsabsenkungskonverter der herkömmliche Substratspannungserzeuger nur mit der externen Versorgungsspannung V_occ oder der internen Versorgungsspannung V_icc und damit kann kein optimales Substratvorspannungspotential an das Halbleitersubstrat angelegt werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Zuverläs sigkeit der Halbleitereinrichtung.

In der JP 63-3 06 594 ist ein Aufbau beschrieben, bei dem ein Halbleitersubstrat über einen Substratspannungserzeuger mit dem Massepotential kurzgeschlossen ist, solange die Betriebsversorgungsspannung beim Einschalten der Spannungsversorgung noch nicht stabil ist.

Ferner sind in den JP 62-36 797 A und JP 60-25 309 A Strukturen wie folgt beschrieben. Um eine Latch-up-Erscheinung durch einen kurzzeitigen Stromfluß zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversorgung oder zum Zeitpunkt des Betriebes der Einrichtung, während der Schaltkreis, der den kurzzeitigen Strom bewirkt, durch eine interne Versorgungsspannung betrieben wird, zu verhindern, ist in einer Halbleitereinrichtung mit internem Spannungsabsenkungskonverter der Zeitpunkt zum Starten des Betriebes eines Substratspannungserzeugers, der mit einer externen Versorgungsspannung arbeitet, auf den Betriebsstartzeitpunkt des Schaltkreises gesetzt, der mit der internen Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet.

All diese bekannten Schaltkreise versuchen, das durch den Anstieg des Substratpotentiales im Übergangszustand zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversorgung zu verhindern, wobei diese Substratspannungserzeuger alle die externe Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung verwenden.

Aus dem DE 87 14 849 U1 ist ein geregelter CMOS-Substratspannungsgenerator bekannt, der das Substrat eines Halbleiterchips mit einer negativen Substratspannung während des Betriebs beaufschlagt. Es wird das Problem gelöst, daß sich bei Änderung der Bitleitungspegel diese Substratspannung verändert. Offenbarungsgemäß wird die aktuelle Substratspannung von einem Meßfühler aufgenommen und ein Ausgangssignal des Meßfühlers als Regelsignal für eine Nachführung der Substratspannung benutzt. Eine abgesenkte interne Versorgungsspannung ist nicht vorgesehen, daher entstehen die damit zusammenhängenden oben geschilderten Probleme nicht.

Die US 4 401 897 hingegen beschreibt einen Substratspannungsgenerator, der in Abhängigkeit von einem Taktsignal (im beschriebenen Beispiel RAS) einen von zwei Vorspannungspegeln am Substrat erzeugt. Auch in dieser Druckschrift findet sich kein Hinweis auf eine interne abgesenkte Versorgungsspannung, die die Substratspannung beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Substratspannungserzeuger für eine Halbleitereinrichtung mit einem internen Spannungsabsenkkonverter sowie ein Verfahren zum Erzeugen einer Substratspannung zu schaffen, mit denen eine optimale Substratvorspannung an ein Halbleitersubstrat zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversorgung für eine Halbleitereinrichtung und zum Zeitpunkt von deren normalem Betrieb die Substratspannung stabil angelegt werden kann.

Die Aufgabe wird durch den Substratspannungserzeuger nach den Patentansprüchen 1, 2, 12 sowie das Verfahren nach den Patentansprüchen 15, 16 gelöst.

Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Diagramm des Gesamtaufbaus einer herkömmlichen Halbleitereinrichtung mit einem internen Spannungsabsenkkonverter;

Fig. 2 ein Blockdiagramm, das eine schematische Konstruktion des in Fig. 1 gezeigten internen Spannungsabsenkkonverter darstellt;

Fig. 3 ein Diagramm, das ein Beispiel für eine spezielle Schalt kreiskonstruktion des in Fig. 2 dargestellten internen Spannungsabsenkkonverters zeigt;

Fig. 4 ein Verlaufsdiagramm, das die Beziehung zwischen der externen Versorgungsspannung und der internen Versorgungsspannung im internen Spannungsabsenkkonverter gemäß Fig. 3 darstellt;

Fig. 5A ein Diagramm, das ein Beispiel der Konstruktion eines herkömmlichen Substratspannungserzeugers darstellt;

Fig. 5B ein Diagramm, das eine bestimmte Konstruktion des in Fig. 5A gezeigten Inverters darstellt;

Fig. 6 ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substrat spannungsgenerators einer ersten Ausführungsform darstellt;

Fig. 7 ein Schaltbild eines Beispieles für die Schaltkreis konstruktion zum Erzeugen eines in Fig. 1 dargestellten Erfassungssignales für das Einschalten der Spannungs versorgung;

Fig. 8 ein Spannungs- bzw. Signaldiagramm, das den Betrieb des in Fig. 7 gezeigten Spannungsversorgungs-Einschalterfassungs schaltkreises darstellt;

Fig. 9 ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substrat spannungsgenerators einer zweiten Ausführungsform darstellt;

Fig. 10 ein Schaltbild, das ein Beispiel für die Konstruktion eines Substratspannungs-Erfassungsschaltkreises zum Erzeugen eines Steuersignales, um den Substratspannungserzeuger entsprechend dem Substratpotential umzuschalten, darstellt;

Fig. 11 ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substrat spannungsgenerators mit einer dritten Ausführungsform darstellt;

Fig. 12 ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substrat spannungsgenerators einer vierten Ausführungsform darstellt;

Fig. 13 ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substrat spannungsgenerators einer fünften Ausführungsform darstellt;

Fig. 14 ein Schaltbild eines Beispieles für die Schaltkreis konstruktion zum Erzeugen eines Steuersignales für eine Umschaltoperation eines Substratspannungserzeugers entsprechend dem Pegel einer internen Versorgungsspannung;

Fig. 15 einen schematischen Querschnitt einer Halbleiter einrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewandt worden ist; und

Fig. 16 einen schematischen Querschnitt einer Halbleiter einrichtung, auf die ein Halbleitersubstrat- Spannungserzeuger in Übereinstimmung mit einer sechsten Ausführungsform angewandt worden ist.

Es folgt die Erläuterung der Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Bezüglich der Fig. 6 weist der Substratspannungserzeuger folgendes auf: einen ersten Ringoszillator 1, der mit einer externen Versor gungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, einen zweiten Ringoszillator 2, der mit einer internen Versorgungsspannung V_icc, die von der externen Versorgungsspannung herabgestuft worden ist, als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, einen ersten Ladungs pumpschaltkreis 3, der in Abhängigkeit von einem Oszillationssignal f₁ vom ersten Ringoszillator 1 eine erste Vorspannung an ein Halb leitersubstrat anlegt, und einen zweiten Ladungspumpschaltkreis 4, der in Abhängigkeit von einem Oszillationssignal f₂ vom zweiten Ring oszillator 2 eine zweite Vorspannung an das Halbleitersubstrat an legt.

Obwohl die Ausgänge der ersten und zweiten Ladungspumpschaltkreise 3 und 4 so dargestellt sind, als ob sie über einen gemeinsamen An schluß mit dem Halbleitersubstrat verbunden wären, kann eine andere Struktur benutzt werden, bei der die Vorspannungen von diesen Aus gängen über verschiedene Halbleiterbereiche (z. B. P⁺-Störstellenbe reiche im Falle eines P-Halbleitersubstrates) an das Halbleitersub strat angelegt werden.

Der erste Ringoszillator 1 weist in m Stufen (m ist eine gerade Zahl) kaskadenförmig verbundene Inverter IN und einen Gatterschalt kreis G₁, der den Oszillationsbetrieb des ersten Ringoszillators 1 in Abhängigkeit von einem Steuersignal Φ₁ steuert, auf. Der Gatter schaltkreis G₁ umfaßt einen p-Kanal MOS-Transistor Q₁ und einen n- Kanal MOS-Transistor Q₃, die einen Inverter bilden, und einen p-Ka nal MOS-Transistor Q₂ und einen n-Kanal MOS-Transistor Q₄, die den Betrieb des Inverters (d. h., der Transistoren Q₁, Q₃) in Abhängig keit vom Steuersignal Φ₁ steuern. Die Gates der Transistoren empfan gen das Ausgangssignal des Inverters IN der letzten Stufe. Die Tran sistoren Q₂ und Q₄ empfangen an ihren Gates das Steuersignal Φ₁. Die Transistoren Q₁ und Q₂ sind zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und einen Ausgangsanschluß N₃₀ parallel und die Transistoren Q₃ und Q₄ zwischen dem Ausgangsanschluß N₃ und dem Massepotential V_ss in Reihe geschaltet. Der Knoten N₃₀ ist ferner mit dem Eingangsbe reich des Inverters IN der ersten Stufe verbunden.

Der zweite Ringoszillator 2 weist in n Stufen (n ist eine gerade Zahl) kaskadenförmig verbundene Inverter IN und einen Gatterschalt kreis G₂, der die Oszillationsoperation des zweiten Ringoszillators 2 in Abhängigkeit von einem komplementären Steuersignal ₁ steuert auf. Der Gatterschaltkreis G₂ umfaßt einen p-Kanal MOS-Transistor Q₅ und einen n-Kanal MOS-Transistor Q₇, die einen Inverter bilden, und einen p-Kanal MOS-Transistor Q₆ und einen n-Kanal MOS-Transistor Q₈, die den Betrieb des Inverters (d. h., der Transistoren Q₅, Q₇) in Ab hängigkeit vom komplementären Steuersignal ₁ steuern. Die Transi storen Q₅ und Q₆ sind zwischen der internen Versorgungsspannung V_icc und einem Ausgangsanschluß N₃₁ parallel und die Transistoren Q₇ und Q₈ zwischen dem Ausgangsanschluß N₃₁ und dem Massepotential V_ss in Reihe geschaltet. Der Anschluß N₃₁ ist ferner mit dem Eingangsbe reich des Inverters IN der ersten Stufe verbunden.

Das Steuersignal Φ₁ stellt ein Signal dar, das zum Zeitpunkt des An legens der externen Versorgungsspannung V_occ an die Halbleiterein richtung erzeugt wird.

Die Ladungspumpschaltkreise 3 und 4 weisen Ladungspumpkondensatoren C₁₀, C₂₀ und Ladungsleittransistoren Tr₁, Tr₂ bzw. Tr₃, Tr₄ wie beim Stand der Technik auf.

Fig. 7 zeigt eine Ausbildung eines Schaltkreises für die Erzeugung der Steuersignale Φ₁ und ₁ und Fig. 8 ein Signaldiagramm des Steu ersignal-Erzeugerschaltkreises.

Bezüglich der Fig. 7 weist der Steuersignalschaltkreis folgendes auf: einen zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und einen Knoten N₃₅ geschalteten Widerstand R₁, einen zwischen den Knoten N₃₅ und das Massepotential V_ss geschalteten Kondensator C₂₅, Inverter IN₃₀, IN₃₁ und IN₃₂, die in diesen Stufen kaskadenförmig gebildet sind, zum Erzeugen des Steuersignales Φ₁ in Abhängigkeit vom Signal potential des Knotens N₃₅, und einen Inverter IN₃₃ zum Erzeugen des komplementären Steuersignales ₁ in Abhängigkeit vom Steuersignal Φ₁. Die Inverter IN₃₀ bis IN₃₃ arbeiten mit der externen Versor gungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung. Vor der Erläute rung des Betriebes des in Fig. 6 dargestellten Substratspannungser zeugers wird unter Bezugnahme auf das Signaldiagramm der Fig. 8 die Operation des Steuersignal-Erzeugerschaltkreises beschrieben.

Vor dem Zeitpunkt t₁ wird die externe Versorgungsspannung V_occ nicht an die Halbleitereinrichtung angelegt und die beiden Steuersignale Φ₁, ₁ befinden sich auf dem L-Pegel.

Wird zum Zeitpunkt t₁ damit begonnen, die externe Versorgungsspan nung V_occ anzulegen, so wird der Kondensator C₂₅ über den Widerstand R₁ geladen und das Potential des Knotens N₃₅ steigt an. Der Potenti alanstieg des Knoten N₃₅ wird vom Wert des Widerstandes R₁ und der Kapazität des Kondensators C₂₅ bestimmt (RC-Zeitkonstante) .

Der Inverter IN₃₀ legt das Signalpotential des Knotens N₃₅ auf L fest, bis das Potential des Knotens N₃₅ die logische Schwellenspan nung des Inverters IN₃₀ übersteigt. Folglich wird in dieser Zeit spanne das auf den H-Pegel ansteigende Steuersignal Φ₁ vom Inverter IN₃₂ bereitgestellt. Der Zeitpunkt des Anstieges des Steuersignales Φ₁ liegt aufgrund der Verzögerungszeiten der Inverter IN₃₀ bis IN₃₂ und unzureichender Ladeoperationen der Ausgangsbereiche der Inverter IN₃₀ bis IN₃₂ beim Ansteigen der externen Versorgungsspannung V_occ nach dem Zeitpunkt t₁.

Der Inverter IN₃₃ invertiert das Steuersignal Φ₁ und stellt folglich das komplementäre Steuersignal ₁ mit L-Pegel bereit. Das komplemen täre Steuersignal ₁ steigt nach dem Start dem Anlegen der externen Versorgungsspannung V_occ ein wenig an, bis das Steuersignal Φ₁ auf den H-Pegel angestiegen ist. Der Anstiegspegel des komplementären Steuersignales ist jedoch sehr klein und kann vernachlässigt werden, da sich die externe Versorgungsspannung V_occ in einem Übergangszu stand befindet und nur eine geringe Ladung auf seiner Aus gangsseite aufweist, wodurch der Pegel als L-Pegel angesehen werden kann.

Wenn das Ladepotential des Knotens N₃₅ den logischen Eingangsschwel lenwert des Inverters IN₃₀ zum Zeitpunkt t₂ übersteigt, fällt das Steuersignal Φ₁ auf den L-Pegel, während das komplementäre Steuersi gnal ₁ auf den H-Pegel ansteigt.

Zum Zeitpunkt t₃ zwischen t₁ und t₂ beginnt die interne Versorgungs spannung V_icc zu steigen und zum Zeitpunkt t₂ erreicht sie den vor bestimmten Potentialpegel und befindet sich in einem stabilen Zu stand.

Damit befindet sich das Steuersignal Φ₁ während der Zeitspanne vom Beginn der Anlegung der externen Versorgungsspannung V_occ bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die interne Versorgungsspannung V_icc den stabilen Zustand erreicht, auf dem H-Pegel.

In Fig. 8 ist das Steuersignal Φ₁ derart dargestellt, daß es zum Zeitpunkt t₃, zu dem die interne Versorgungsspannung V_icc ansteigt, anzusteigen beginnt. Der Beginn des Anstieges von V_icc und Φ₁ müssen jedoch nicht zusammenfallen, sondern können in beliebiger Weise festgelegt werden.

Der Zeitpunkt für den Abfall des Steuersignales Φ₁ auf den L-Pegel wird im wesentlichen gleich dem Zeitpunkt für den Übergang der in ternen Versorgungsspannung V_icc in den stabilen Zustand gewählt. Es kann jedoch eine zeitliche Überschneidung vorgesehen werden, so daß das Steuersignal Φ₁ eine beliebige Zeitspanne nach dem Zeitpunkt t₂ auf den L-Pegel abfällt.

Die Dauer des H-Pegels des Steuersignales Φ₁ wird durch Einstellen der RC-Zeitkonstante des Widerstandes R und des Kondensators C₃₀ so wie die Verzögerungszeit der Inverter IN₃₀ bis IN₃₂ auf einen ge eigneten Wert gesetzt.

Der Anstiegszeitpunkt der internen Versorgungsspannung V_icc liegt aufgrund der Verzögerung im internen Spannungsabsenkkonverter, der beispielsweise gemäß den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, erst nach dem Beginn der Anlegung der externen Versorgungsspannung V_occ.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 6 wird nun der Betrieb des Substratspannungserzeugers beschrieben.

Wie oben erwähnt worden ist, befinden sich während der Zeitspanne vom Beginn des Anlegens der externen Versorgungsspannung V_occ bis wenigstens zu dem Zeitpunkt, zu dem die interne Versorgungsspannung V_icc den stabilen Zustand erreicht hat, das Steuersignal Φ₁ auf dem H-Pegel und das Steuersignal ₁ auf dem L-Pegel. Im ersten Ringos zillator 1 wird der Transistor Q₂ aus und der Transistor Q₄ einge schaltet. Der Gatterschaltkreis G₁ arbeitet als Inverter und der er ste Ringoszillator 1 führt Oszillationsoperationen aus und stellt somit ein Oszillationssignal f₁ zur Verfügung. In Abhängigkeit vom Oszillationssignal f₁ führt der erste Ladungspumpschaltkreis 3 eine Ladungspumpoperation aus, um die Substratspannung mit hoher Ge schwindigkeit abzusenken. Folglich ist es möglich, die Substratvor spannung mit hoher Geschwindigkeit zu erzeugen, den Anstieg des Spannungs pegels des Halbleitersubstrates aufgrund eines vorübergehen den Stromes durch das Anlegen der externen Versorgungsspannung zu vermeiden und die sog. Latch-up-Erscheinung effektiv zu unterdrücken.

Im zweiten Ringoszillator 2 wird aufgrund des komplementären Steuer signales ₁ der Transistor Q₆ ein- und der Transistor Q₈ ausgeschal tet. Folglich wird der Knoten N₃₁ über den Transistor Q₆ geladen und steigt auf den H-Pegel an. Das Potential des Knotens N₃₁ wird über die n Stufen der Inverter IN auf das Gate des Transistors Q₅ rückge koppelt, wodurch der Transistor Q₅ leitend wird. Damit wird das Aus gangssignal f₂ vom Knoten N₃₁ auf dem H-Pegel festgehalten und der Ladungspumpschaltkreis 4 führt keine Ladungspumpoperation aus. Damit führt während der Zeitspanne des Übergangszustandes der internen Versorgungsspannung V_icc der zweite Ladungspumpschaltkreis 4 keine Ladungspumpoperation aus.

Wird die interne Versorgungsspannung V_icc stabil, so fällt das Steu ersignal Φ₁ auf den L-Pegel ab und das komplementäre Steuersignal ₁ steigt auf den H-Pegel an. Das Signal f₁ vom ersten Ringoszillator 1 befindet sich fest auf dem H-Pegel und das Signal f₂ vom zweiten Ringoszillator 2 wird als Oszillationssignal benutzt. Damit hört der erste Ladungspumpschaltkreis 3 auf, ein Ladungspumpen auszuführen, während der zweite Ladungspumpschaltkreis 4 dies ausführt. Die Gründe für das Betreiben von nur dem zweiten Ladungspumpschaltkreis 4, nachdem die interne Versorgungsspannung V_icc stabil geworden ist, sind im folgenden dargestellt.

Die vom Ladungspumpschaltkreis an das Halbleitersubstrat angelegte Vorspannung hängt von der Betriebsversorgungsspannung des Ringoszil lators in der oben beschriebenen Weise ab. Selbst nachdem die in terne Versorgungsspannung V_icc stabil geworden ist, wird entspre chend die Substratvorspannung für den Schaltkreis, der mit der in ternen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung ar beitet, zu niedrig, falls die Ladungspumpoperation über den Ringos zillator 1 mit der externen Versorgungsspannung V_occ ausgeführt wird. Eine derart tiefe Substratvorspannung kann einen Anstieg der Schwellenspannung der MOS-Transistoren, eine Erhöhung der "Soft- Error-Rate" in den DRAMs aufgrund vermehrter Elektroneninjizierung in das Substrat durch die Ladungspumpoperation bewirken. Daher wird es durch Betreiben von nur dem Substratspannungs-Erzeuger schaltkreis ( dem Ringoszillator 2 und dem Ladungspumpschaltkreis 4), der die interne Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversor gungsspannung verwendet, bezüglich des Schaltkreisbereiches, der mit der internen Versorgungsspannung V_icc arbeitet, möglich, zu verhin dern, daß die Vorspannung wie oben erwähnt zu tief wird. Damit kann die gewünschte Substratvorspannung an das Halbleitersubstrat ange legt werden.

Die Strombelastbarkeit bzw. Treiberfähigkeit des ersten Substratspannungs-Erzeuger schaltkreises (d. h., des Ringoszillators 1 und des Ladungspump schaltkreises 3) und des zweiten Substratspannungs-Erzeugerschalt kreises (d. h., des Ringoszillators 2 und des Ladungspumpschaltkrei ses 4) sind noch nicht betrachtet worden, können aber gleich oder verschieden sein. Die Treiberfähigkeiten der jeweiligen Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreise werden im wesentlichen durch die Oszillationsfrequenz des Ringoszillators und der Kapazität des Kon densators im Ladungspumpschaltkreis bestimmt (für den Fall, daß die Parameter der benutzten Transistoren identisch sind). Die Oszillati onsfrequenz des Ringoszillators erhöht sich mit sinkender Zahl von Inverterstufen oder mit einer Verminderung der Verzögerung in den Invertern. Folglich können die Parameter, die diese Treiberfähig keiten festlegen, bezüglich beider Substratspannungs-Erzeugerschalt kreise gleich oder verschieden sein.

Im Hinblick darauf, den Anstieg des Substratpotentiales zum Zeit punkt des Anlegens der externen Versorgungsspannung zu verhindern, ist es jedoch vorteilhaft, die Treiberfähigkeit des ersten Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreises zu erhöhen, der in Abhängigkeit von der externen Versorgungsspannung arbeitet. Damit wird es mög lich, das Substratpotential zum Beginn der Anlegung des externen Versorgungspotentiales schnell abzusenken und die "Latch-up"- Erscheinungen wirkungsvoll zu unterdrücken.

Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das die Auslegung eines Substratspan nungsgenerators in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Bezüglich der Fig. 9 umfaßt der Substrat spannungserzeuger einen zwischen eine externe Versorgungsspannung V_occ und einen Knoten N₁₀ geschalteten p-Kanal MOS-Transistor, der in Abhängigkeit vom komplementären Steuersignal ₁ durchschaltet, einen zwischen die interne Versorgungsspannung V_icc und den Knoten N₄₀ geschalteten p-Kanal MOS-Transistor, der in Abhängigkeit vom Steuersignal Φ₁ durchschaltet, einen Ringoszillator 5, dem eine Be triebsversorgungsspannung V_cc von einem der Transistoren Q₁₀ und Q₁₁ zugeführt wird, um eine Oszillationsoperation auszuführen, und einen Ladungspumpschaltkreis 6, der eine Substratvorspannung V_BB in Abhän gigkeit von einem Oszillationssignal f vom Ringoszillator erzeugt.

Der Ringoszillator 5 weist in einer ungeraden Zahl von Stufen kaska den- und ringförmig verbundene Inverter IN auf. Der Ladungspump schaltkreis 6 besitzt denselben Aufbau wie die in Fig. 6 gezeigten Pumpschaltkreise 3 und 4 und umfaßt einen Kondensator C₃₀ und n-Ka nal MOS-Transistoren Tr₅ und Tr₆. Die an die Gates der Transistoren Q₁₀ und Q₁₁ angelegten Steuersignale Φ₁ und ₁ werden vom in Fig. 7 dargestellten Erfassungsschaltkreis für das Anlegen der externen Versorgungsspannung erzeugt. Als nächstes wird nun der Betrieb be schrieben.

Zu Beginn des Anlegens der externen Versorgungsspannung befindet sich das Steuersignal ₁ auf dem H-Pegel, während das komplementäre Signal L ist. Folglich schaltet der Transistor Q₁₀ durch und der Transistor Q₁₁ sperrt. Die externe Versorgungsspannung V_occ wird über den Transistor Q₁₀ im leitenden Zustand an den Knoten N₄₀ ange legt. Der Ringoszillator 5 arbeitet mit der über den Knoten N₄₀ an gelegten externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungs spannung V_cc. Der Ringoszillator 5 beginnt den Oszillationsbetrieb unmittelbar nach dem Beginn des Anlegens der externen Versorgungs spannung und der Ladungspumpschaltkreis 6 beginnt die Ladungspumpo peration in Abhängigkeit vom Oszillationssignal f vom Ringoszillator 5, um eine vorbestimmte Vorspannung an das Substrat anzulegen.

Wenn die interne Versorgungsspannung V_icc nach dem Verstreichen ei ner vorbestimmten Zeitspanne vom Beginn des Anlegens der externen Versorgungsspannung stabil wird, fällt das Steuersignal Φ₁ auf den L-Pegel und das komplementäre Steuersignal ₁ steigt auf den H-Pegel an. Damit schaltet der Transistor Q₁₁ durch und der Transistor Q₁₀ sperrt. Daher führt der Ringoszillator 5 eine Oszillationsoperation unter Verwendung der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebs versorgungsspannung V_cc durch. Folglich ist die vom Ladungspump schaltkreis 6 an das Halbleitersubstrat angelegte Vorspannung gleich einem Wert der der internen Versorgungsspannung V_icc entspricht, nämlich -(V_icc-2V_tn).

Damit ermöglicht auch die in Fig. 9 dargestellte Konstruktion die Erzeugung der Substratvorspannung unmittelbar nach dem Beginn des Anlegens der externen Versorgungsspannung und verhindert den Anstieg der Substratspannung, wie im Falle des in Fig. 6 gezeigten Substrat spannungserzeugers.

Bei den oben beschriebenen Konstruktionen werden die Steuersignale Φ₁, ₁ durch Erfassen der Anlegung der externen Versorgungsspannung V_occ geschaffen. Die oben beschriebenen Substratspannungs-Erzeuger schaltkreise versuchen im wesentlichen, den Anstieg des Substratpo tentiales im Übergangszustand zum Zeitpunkt des Anlegungsbeginnes der externen Versorgungsspannung zu verhindern. Auch beim normalen Betrieb nachdem die interne Versorgungsspannung V_icc stabil geworden ist, kann es jedoch manchmal vorkommen, daß das Substratpotential in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Einrichtung flacher oder tiefer als das vorbestimmte Vorspannungspotential wird.

Die oben erwähnten beiden Typen von Systemen A und B zum Anlegen der Betriebsversorgungsspannung sind für eine Halbleitereinrichtung mit einem internen Spannungsabsenkkonverter verwendbar. Beide Spannungs anlegungssysteme weisen einen Schaltkreis auf, der mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung arbeitet. Es kann vorkommen, daß Strom von diesem Schaltkreis, der mit der ex ternen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung ar beitet, in das Halbleitersubstrat fließt und durch Stoßionisation Löcher in diesem erzeugt. Dies bewirkt, daß das Potential des Halb leitersubstrates kleiner (weniger negativ für p-Substrate) als ein vorbestimmtes Vorspannungspotential wird. Ferner erfolgt für den Fall einer Halbleitereinrichtung, die von einer Speichereinrichtung wie beispielsweise einem DRAM gebildet wird, im Wartezustand, in dem keine Speicheroperation durchgeführt wird, eine geringe Stromauf nahme. Selbst wenn der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis die in nere Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung be nutzt, kann das Substratpotential tiefer (negativer bei p-Substra ten) als das vorbestimmte Vorspannungspotential sein. Es ist daher im Hinblick auf die Stromaufnahme und die Zuverlässigkeit der Halb leitereinrichtung günstig, die Substratspannungs-Erzeugerschalt kreise selektiv entsprechend dem Substratpotential zu betreiben.

Fig. 10 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel für die Konstruktion eines Substratspannungs-Erfassungsschaltkreises zum Erzeugen eines Steuersignales, um den Substratspannungserzeuger entsprechend dem Substratpotential umzuschalten, darstellt. Bezüglich Fig. 10 weist dieser Steuersignal-Erzeugerschaltkreis einen Substratpotential-Er fassungsschaltkreis 7, einen Inverter IND₂, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Substratpotential-Erfassungsschaltkreises 7 ein Steuersignal Φ₂ erzeugt, und einen Inverter IND₃, der in Abhängig keit vom Ausgangssignal des Inverters IND₂ ein komplementäres Steu ersignal ₂ erzeugt, auf.

Der Substratpotential-Erfassungsschaltkreis 7 umfaßt einen zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und einen Knoten N₄₅ geschalte ten Widerstand R₁₀, einen zwischen die Knoten N₄₅ und N₄₆ geschalte ten n-Kanal MOS-Transistor Tr₁₀, an dessen Gate das Massepotential V_ss angelegt ist, einen zwischen den Knoten N₄₆ und das Halbleiter substrat geschalteten n-Kanal MOS-Transistor Tr₁₁, dessen Gate und ein Leitungsanschluß (Drain) miteinander verbunden sind, und einen Inverter IND₁, der das Potential des Knotens N₄₅ invertiert und ein durch die Inversion erhaltenes Ausgangssignal bereitstellt. Die In verter IND₁ bis IND₃ weisen einen CMOS-Aufbau auf und arbeiten mit der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspan nung. Als nächstes wird der Betrieb des Steuersignal-Erzeugerschalt kreises beschrieben.

Der Widerstand R₁₀ weist einen großen Widerstandswert auf, um dem Substrat nur einen vernachlässigbar kleinen Strom zuzuführen. Der n- Kanal MOS-Transistor Tr₁₁ ist als Diode geschaltet und setzt das Po tential V(N₄₆) des Knotens N₄₆ auf die folgenden Werte:

V(N₄₆) = V_BB + V_tn(Tr₁₁)

worin V_BB das Halbleitersubstratpotential und V_tn(Tr₁₁) die Schwel lenspannung des Transistors Tr₁₁ darstellen.

Der Transistor Tr₁₀ schaltet durch, wenn die Differenz zwischen der Gate-Spannung V_G und dem Potential V(N₄₆) des Knotens N₄₆ größer als die Schwellenspannung V_tn(Tr₁₀) des Transistors Tr₁₀ ist. Damit wird für den Fall

V_G - V(N₄₆) < V_tn(Tr₁₀)

der Transistor Tr₁₀ durchgeschaltet und für den Fall

V_G - V(N₄₆) < V_tn(Tr₁₀)

wird der Transistor Tr₁₀ gesperrt.

Das Potential des Knoten N₄₅ ist L, falls der Transistor Tr₁₀ lei tet, und H, falls dieser gesperrt ist. Wird mit anderen Worten das Substratpotential V_BB tiefer als ein vorbestimmter Vorspannungswert, so schaltet der Transistor Tr₁₀ durch, und falls es geringer als der vorbestimmte Vorspannungswert wird, so sperrt dieser. Der Inverter IND₁ digitalisiert sozusagen das Potential des Knotens N₄₅ und stellt ein Si gnal mit L-Pegel bereit, falls das Signalpotential des Knotens N₄₅ höher als der Eingangslogikschwellenwert des Inverters IND₁ ist, und gibt ein H-Pegel-Signal aus, falls es niedriger als der Eingangslo gikschwellenwert ist. Folglich gibt der Substratpotential-Erfas sungsschaltkreis 7 ein Signal mit H-Pegel, wenn das Substratpoten tial V_BB tiefer als der vorbestimmte Vorspannungswert ist, und ein Signal mit L-Pegel aus, falls es kleiner als der vorbestimmte Vor spannungswert ist. In Abhängigkeit hiervon wird das Steuersignal Φ₂ gleich L, wenn die Substratvorspannung tief ist, und gleich H, wenn dieses kleiner ist. Umgekehrt wird das komplementäre Steuersignal ₂ gleich H, falls die Substratvorspannung tief ist, und gleich L, wenn diese zu klein ist.

Diese Steuersignal Φ₂ und ₂ werden anstelle der in den Fig. 6 und 9 gezeigten Steuersignale Φ₁ und ₁ benutzt. Wird die Substratvorspan nung tief, so arbeitet in diesem Fall der Substratspannungs-Erzeu gerschaltkreis unter Verwendung der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung, so daß die Substratvorspannung flach wird. Wird demgegenüber die Substratvorspannung flach, so ar beitet der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis unter Verwendung der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspan nung, so daß die Substratvorspannung tief wird.

Wird bei dieser Konstruktion die Treiberfähigkeit (die Stromzufüh rungsfähigkeit) des Substratspannungs-Erzeugerschaltkreises, der mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspan nung arbeitet, groß gemacht, so ist es möglich, die flache Substrat vorspannung schnell auf das vorbestimmte Potential abzusenken. Für den Fall des in Fig. 9 dargestellten Aufbaus des Substratspannungs- Erzeugerschaltkreises liegt die Oszillationsfrequenz des Ringoszil lators 5 beim Betrieb mit der externen Versorgungsspannung V_occ hö her als beim Betrieb mit der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung. Damit ist die Treiberfähigkeit beim Betrieb mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsver sorgungsspannung automatisch größer.

Zum Zeitpunkt des Beginns des Anlegens der externen Versorgungsspan nung erreicht das Substratpotential nicht den vorgeschriebenen Vor spannungswert und folglich können die in Abhängigkeit des Ausgangs signales vom in Fig. 10 dargestellten Substratpotential-Erfassungs schaltkreis erzeugten Steuersignale Φ₂ und ₂ als Steuersignale zum Umschalten der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise benutzt wer den. In diesem Fall kann jedoch der Substratspannungs-Erzeuger schaltkreis, der die interne Versorgungsspannung V_icc als Betriebs versorgungsspannung benutzt, aktiviert werden, während sich die in terne Versorgungsspannung V_icc noch nicht in einem stabilen Zustand befindet, so daß die Substratvorspannung instabil ist. Um die Sub stratvorspannung zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversor gung und zum Zeitpunkt des normalen Betriebs stabil anzulegen, wird ein Steuersignal anstelle des Steuersignales Φ₁ verwendet, das durch Erzeugen einer logischen Summe der Steuersignale Φ₁ und Φ₂ erhalten wird, und es wird anstelle des komplementären Steuersignales ₁ ein Signal benutzt, das durch Erzeugen eines logischen Produktes der komplementären Steuersignale ₁ und ₂, die in den Fig. 6 und 9 dar gestellt sind, erhalten wird, wodurch die Substratspannungs-Erzeu gerschaltkreise derart gesteuert werden können, daß sie die Sub stratvorspannung zuverlässig und stabil anlegen.

Ferner kann in diesem Fall die Treiberfähigkeit des Substratpoten tial-Erzeugerschaltkreises, der mit der externen Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, eingestellt werden, ohne einen derartigen Gatterschaltkreis zu verwenden, so daß die für das Erreichen des vorbestimmten Vorspannungswertes erforderliche Zeit länger als die Zeitspanne ist, die für die Stabilisierung der inter nen Versorgungsspannung V_icc notwendig ist.

Im Falle des Betriebes des Substratspannungs-Erzeugerschaltkreises, der die interne Versorgungsspannung V_icc verwendet, im Warte- oder im normalen Zustand können die beiden Substratspannungs-Erzeuger schaltkreise, die mit der externen Versorgungsspannung V_occ bzw. der internen Versorgungsspannung V_icc arbeiten, derart angepaßt sein, daß sie sich in einem Oszillationsstopzustand befinden, falls die Substratvorspannung zu tief wird, oder daß der Substratspannungs-Er zeugerschaltkreis, der die interne Versorgungsspannung V_icc benutzt, betrieben werden, falls die Substratvorspannung zu flach wird. Die Auswahloperation des Substratspannungs-Erzeugerschaltkreises, der mit der internen Versorgungsspannung V_icc arbeitet, geschieht in folgender Weise. Da das Steuersignal Φ₁ im Normalbetrieb bereits auf den L-Pegel festgelegt ist, wird das Steuersignal Φ₁ von den in Abhän gigkeit vom Substratpotential erzeugten Steuersignalen Φ₂ und ₂ deaktiviert oder aktiviert. Diese Schaltkreiskonstruktion kann in einfacher Weise durch NOR-Gatter realisiert werden, die die Steuer signale Φ₁ und Φ₂ empfangen.

Ferner ist es möglich, den Pegel der dem Substratspannungs-Erzeuger schaltkreis zugeführten internen Versorgungsspannung V_icc entspre chend dem Pegel der Substratspannung V_BB zu verändern. Genauer ge sagt kann die interne Versorgungsspannung V_icc abgesenkt werden, falls das Substratpotential V_BB negativer und die Vorspannung tiefer wird, wohingegen die interne Versorgungsspannung V_icc angehoben wer den kann, wenn die Vorspannung flacher wird. In diesem Fall kann die Referenzspannung V_ref des in Fig. 2 gezeigten Referenzspannungs-Er zeugerschaltkreises 110 auf einen dem Pegel des Substratpotentiales V_BB entsprechenden Wert eingestellt werden. Dies kann einfach in einer Weise realisiert werden, bei der ein Lastwiderstand und eine Mehrzahl von kaskadenförmig verbundenen PN-Dioden bei spielsweise zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und das Substratpotential V_BB geschaltet sind, wobei das Substratpotential V_BB und die Referenzspannung V_ref von einem Verbindungspunkt zwi schen Widerstand und den Dioden abgenommen wird.

Alternativ kann das Potential des Knotens, an dem der Drain- und Gate-Anschluß des Transistors P₅ im Referenzspannungs-Erzeuger schaltkreis 110 der Fig. 3 verbunden sind, als Substratpotential V_BB verwendet werden. Damit ist es möglich, die interne Versorgungsspan nung V_icc entsprechend dem Substratpotential zu regulieren, wodurch das Stromzuführungsvermögen (Treibervermögen) des Erzeugerschalt kreises für die interne Versorgungsspannung, der mit der internen Versorgungsspannung V_icc arbeitet, vermindert wird, um das Sub stratpotential auf den vorbestimmten Vorspannungswert zurückzufüh ren.

Ferner kann ein Substratspannungserzeuger auch durch Kombination al ler oben beschriebenen Ausführungen realisiert werden.

Fig. 11 zeigt ein Diagramm, das die Konstruktion eines Substratspan nungsgenerators in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform darstellt. Der in Fig. 11 gezeigte Substratspannungs erzeuger weist einen Substratpotential-Erfassungsschaltkreis 7 und einen Einschalterfassungsschaltkreis 8 auf. Einer der Substratspan nungs-Erzeugerschaltkreise, die die externe Versorgungsspannung V_occ und die interne Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungs spannung verwenden, wird in Abhängigkeit von den Erfassungssignalen von diesen Schaltkreisen 7 und 8 aktiviert.

Bezüglich der Fig. 11 umfaßt der Substratspannungserzeuger einen er sten Ringoszillator 1, der mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, einen zweiten Ringoszilla tor 2, der mit der internen Versorgungsspannung V_icc als Betriebs versorgungsspannung arbeitet, einen ersten Ladungspumpschaltkreis 3, der in Abhängigkeit vom Oszillationssignal f₁ vom ersten Ringoszil lator 1 eine Ladungspumpoperation ausführt, wodurch eine erste Vor spannung erzeugt wird, und diese an das Halbleitersubstrat anlegt, einen zweiten Ladungspumpschaltkreis 4, der in Abhängigkeit vom Os zillationssignal f₁ vom zweiten Ringoszillator 2 eine Ladungspumpo peration ausführt, wodurch eine zweite Vorspannung erzeugt wird, und diese an das Halbleitersubstrat anlegt, den Substratpotential-Erfas sungsschaltkreis 7 zum Erfassen des Substratpotentiales und den Ein schalterfassungsschaltkreis 8 zum Erfassen des Einschaltens der ex ternen Versorgungsspannung. Der Aufbau der jeweiligen Schaltkreise stimmt mit demjenigen der in den Fig. 6, 9 und 10 gezeigten Schalt kreise überein und es sind die einander entsprechenden Schaltkreise mit identischen Bezugszeichen versehen.

Der in Fig. 11 gezeigte Substratpotential-Erfassungsschaltkreis 7 ist derart ausgelegt, daß er nur einen Inverter in einer Stufe aufweist, der den Invertern IN₃₀ bis IN₃₂ der drei Stufen des in Fig. 7 gezeigten Schaltkreises äquivalent ist.

Der Substratspannungserzeuger weist ferner folgendes auf: einen In verter IND₂, der das Ausgangssignal des Substratspannungs-Erfas sungsschaltkreises 7 empfängt, einen Gatterschaltkreis G₅, der das Erfassungssignal Φ₁ vom Einschalterfassungsschaltkreis 8 und das Ausgangssignal vom Inverter IND₂ empfängt, einen Inverter IV₁, der das Ausgangssignal vom Gatterschaltkreis G₅ empfängt, einen Inverter IV₂, der das Erfassungssignal Φ₁ vom Einschalterfassungsschaltkreis 8 empfängt, einen Gatterschaltkreis G₆, der das Ausgangssignal des Inverters IV₂ und das Ausgangssignal des Inverters IND₂ empfängt, und einen Inverter IV₃, der das Ausgangssignal des Gatterschaltkrei ses G₆ empfängt. Der Inverter IND₂ invertiert das Erfassungssignal vom Substratpotential-Erfassungsschaltkreis 7 und gibt ein Steuersi gnal Φ₂ aus. Der Gatterschaltkreis G₅ wird in Abhängigkeit vom Er fassungssignal Φ₁ aktiviert und wirkt als Inverter, um das Steuersi gnal Φ₂ zu invertieren und das Ausgangssignal dieser Inversion zu liefern. Der Inverter IV₁ invertiert das Ausgangssignal des Gatter schaltkreises G₅ und erzeugt ein Steuersignal Φ₃, das die Oszillati onsoperation des ersten Ringoszillators 1 steuert. Das Steuersignal Φ₃ steuert die Aktivierung und Deaktivierung des ersten Substrat spannungs-Erzeugerschaltkreises (der vom ersten Ringoszillator 1 und dem ersten Ladungspumpschaltkreis 3 gebildet wird).

Der Inverter IV₂ invertiert das Erfassungssignal Φ₁ und gibt das Er gebnis dieser Inversion aus. Der Gatterschaltkreis G₆ wird in Abhän gigkeit vom Steuersignal Φ₂ aktiviert und wirkt als Inverter, um das Ausgangssignal des Inverters IV₂ zu invertieren. Der Inverter IV₃ invertiert das Ausgangssignal des Gatterschaltkreises G₆ und gibt ein Steuersignal Φ₄ aus, das die Oszillationsoperation des zweiten Ringoszillators 2 steuert. Das Steuersignal Φ₄ steuert die Aktivie rung und Deaktivierung des zweiten Substratspannungs-Erzeugerschalt kreises (der vom zweiten Ringoszillator 2 und dem zweiten Ladungs pumpschaltkreis 4 gebildet wird). Nun wird der Betrieb der Substrat spannungs-Erzeugerschaltkreise beschrieben.

i) Steuersignal Φ₁ auf dem H-Pegel und Steuersignal Φ₂ auf dem H- Pegel

Dieser Zustand stellt sich unmittelbar nach dem Einschalten der ex ternen Versorgungsspannung ein. Die interne Versorgungsspannung V_icc ist noch nicht stabil und die Substratvorspannung V_BB ist flacher als der vorbestimmte Vorspannungswert. Zu diesem Zeitpunkt wirkt der Gatterschaltkreis G₅ als Inverter und gibt ein L-Pegel-Signal aus. Das Steuersignal Φ₃ vom Inverter IV₁ erreicht den H-Pegel, so daß der erste Ringoszillator 1 eine Oszillationsoperation ausführt. Der erste Ladungspumpschaltkreis 3 pumpt in Abhängigkeit vom Oszillati onssignal f₁ Ladungen, wodurch das Substratpotential V_BB abgesenkt wird.

Der Gatterschaltkreis G₆ wirkt als Inverter und gibt ein Signal mit H-Pegel aus. Das Steuersignal Φ₄ vom Inverter IV₃ liegt auf dem L- Pegel, wodurch die Oszillationsoperation des zweiten Ringoszillators 2 unmöglich ist und ein fest auf dem H-Pegel liegendes Signal Φ₂ aus gegeben wird. Folglich findet keine Ladungspumpoperation durch den zweiten Ladungspumpschaltkreis 4 statt.

ii) Steuersignal Φ₁ auf dem H-Pegel und Steuersignal Φ₂ auf dem L- Pegel

Dies ist ein Zustand, bei dem nach dem Einschalten der externen Ver sorgungsspannung V_occ die interne Versorgungsspannung V_icc noch nicht stabil und das Substratpotential V_BB tiefer als die vorbe stimmte Vorspannung ist.

In diesem Fall wirkt der Gatterschaltkreis G₅ als Inverter und gibt ein H-Pegel-Signal aus. Das Steuersignal Φ₃ vom Inverter IV₁ er reicht den L-Pegel, wodurch die Oszillationsoperation des ersten Ringoszillators 1 angehalten und ein auf dem H-Pegel festgelegtes Si gnal f₁ ausgegeben wird. Damit ist eine Ladungspumpoperation des er sten Ladungspumpschaltkreises 4 nicht möglich.

Der Gatterschaltkreis G₆ gibt unabhängig vom Ausgangssignal des In verters IV₂ ein H-Pegel-Signal aus und das Steuersignal Φ₄ vom In verter IV₃ erreicht den L-Pegel. Folglich erreicht das Signal f₂ vom zweiten Ringoszillator 2 den H-Pegel, wodurch die Ladungspumpopera tion des zweiten Ladungspumpschaltkreises 4 nicht erlaubt ist.

iii) Steuersignal Φ₁ auf dem L-Pegel und Steuersignal Φ₂ auf dem H- Pegel

Dies ist ein Zustand, in dem die interne Versorgungsspannung V_icc stabil und das Substratpotential V_BB flacher als der vorbestimmte Vorspannungswert ist.

Das Ausgangssignal des Gatterschaltkreises G₅ erreicht unabhängig vom Ausgangspegel des Inverters IND₂ den H-Pegel und das Steuersi gnal Φ₃ erreicht den L-Pegel. Folglich wird das Signal f₁ vom ersten Ringoszillator 1 auf dem H-Pegel fixiert und eine Ladungspumpopera tion durch den ersten Ladungspumpschaltkreis 3 ist nicht möglich.

Der Gatterschaltkreis G₆ wirkt als Inverter und gibt in Abhängigkeit vom Steuersignal f₁ auf dem L-Pegel ein L-Pegel-Signal und der In verter IV₃ ein Steuersignal Φ₄ mit H-Pegel aus. Folglich oszilliert der zweite Ringoszillator 2 und stellt ein Oszillationssignal f₂ be reit. Der zweite Ladungspumpschaltkreis 4 führt in Abhängigkeit vom Oszillationssignal f₂ eine Ladungspumpoperation aus und senkt das Substratpotential V_BB ab.

iv) Steuersignal Φ₁ auf dem L-Pegel und Steuersignal Φ₂ auf dem L- Pegel

Dies ist ein Zustand, in dem die interne Versorgungsspannung V_icc stabil und das Substratpotential V_BB tiefer als der vorbestimmte Vorspannungswert ist.

Der Gatterschaltkre 20672 00070 552 001000280000000200012000285912056100040 0002004039524 00004 20553is G₅ gibt in Abhängigkeit vom Steuersignal Φ₁ des L-Pegels ein H-Pegel-Signal und folglich der Inverter IV₁ das Steuersignal Φ₃ mit L-Pegel aus. Der erste Ringoszillator 1 kann in Reaktion auf dieses Steuersignal Φ₃ mit L-Pegel keine Oszillations operation ausführen und stellt ein auf den H-Pegel festgelegtes Signal f₁ bereit. Der erste Ladungspumpschaltkreis 3 kann durch das auf den H-Pegel fixierte Signal f₁ keine Ladungspumpoperation ausführen.

Der Gatterschaltkreis G₆ gibt in Abhängigkeit vom Steuersignal Φ₂ des L-Pegels ein H-Pegel-Signal und der Inverter INV₃ das Steuersi gnal Φ₄ mit L-Pegel aus. Der zweite Ringoszillator 2 kann in Reak tion auf das Steuersignal Φ₄ mit L-Pegel keine Oszillationsoperation ausführen und stellt ein Signal f₂ mit H-Pegel bereit. Der zweite Ladungspumpschaltkreis 4 kann als Reaktion auf das auf den H-Pegel festgelegte Signal f₂ keine Ladungspumpoperation ausführen.

Fig. 12 zeigt ein Diagramm, das die Konstruktion eines Substratspan nungsgenerators in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform darstellt. Bezüglich der Fig. 12 weist ein Ringoszil lator 300 eine gerade Zahl von kaskadenförmig verbundenen Invertern IN und einen Gatterschaltkreis G₁₀, der sowohl das Ausgangssignal des Inverters IN der letzten Stufe als auch ein Regelsignal Φ_x empfängt, auf. Der Ausgang des Gatterschaltkreises G₁₀ ist mit dem Eingang des Inverters IN der ersten Stufe verbunden. Der La dungspumpschaltkreis 310 führt in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Gatterschaltkreises G₁₀ eine Ladungspumpoperation aus. Das Regel signal Φ_x stimmt mit dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Rückkoppelungssignal überein.

Wie sich aus Fig. 3 ergibt, fließt ein Strom von der externen Ver sorgungsspannung V_occ über den Transistor P₁₅ zur internen Span nungsversorgungsleitung V_icc, falls sich das Regelsignal Φ_x auf dem L-Pegel befindet, wodurch ein Absinken der internen Versor gungsspannung V_icc verhindert wird. Dies stellt einen Zustand dar, in dem ein interner Schaltkreis der Halbleitereinrichtung arbeitet und Strom von der internen Versorgungsspannung V_icc aufgenommen wird. In diesem Zustand kann das Substratpotential V_BB leicht fla cher werden (aufgrund des Substratstromes) und daher ist es möglich, durch Erhöhen des Treibervermögens des Substrat spannungs-Erzeugerschaltkreises während dieses Zeitraumes und Ver mindern des Treibervermögens dieses Substratspannungs-Erzeuger schaltkreises zu anderen Zeiten, die Leistungsaufnahme während der stabilen Zuführung der Substratspannung zu vermindern.

Bezüglich der Fig. 12 wirkt der Gatterschaltkreis G₁₀ als Inverter, falls sich das Regelsignal Φ_x auf dem L-Pegel befindet und der Ringoszillator 300 gibt ein Oszillationssignal f aus. Befindet sich das Regelsignal Φ_x auf dem H-Pegel, so ist das Ausgangs signal des Gatterschaltkreises G₁₀ auf dem L-Pegel fixiert. Befindet sich das Regelsignal Φ_x auf dem H-Pegel, so ist eine Ladungs pumpoperation durch den Ladungspumpschaltkreis 310 damit nicht möglich, wohingegen diese Ladungspumpoperation ausgeführt wird, falls sich das Regelsignal Φ_x auf dem L-Pegel befindet.

Bei dem in Fig. 12 dargestellten Aufbau befindet sich das Regelsignal Φ_x auf dem L-Pegel, solange die interne Versorgungsspan nung V_icc nach dem Einschalten der externen Versorgungsspannung V_occ noch nicht stabil ist. Entsprechend wird verhindert, daß die Sub stratspannung zum Zeitpunkt des Einschaltens der Spannungsversorgung ansteigt, falls der im Ringoszillator 300 enthaltene Inverter IN un ter Verwendung der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebs versorgungsspannung arbeitet, wie dies in Fig. 5B dargestellt ist.

Fig. 13 zeigt ein Schaltbild, das die Konstruktion eines Substratspan nungsgenerators in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt. Der in Fig. 13 gezeigte Substratspannungs erzeuger weist einen ersten Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis 50 mit einem größeren und einen zweiten Substratspannungs-Erzeuger schaltkreis 60 mit einem kleineren Treibervermögen auf. Beide Er zeugerschaltkreise arbeiten mit der externen Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung. Der erste Substratspannungs- Erzeugerschaltkreis 50 weist einen Ringoszillator 500 und einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Ringoszillators 500 eine La dungspumpoperation ausführenden Ladungspumpschaltkreis 510 auf. Der Ringoszillator 500 umfaßt eine gerade Zahl von kaskadenförmig ver bundenen Invertern IN und einen NOR-Schaltkreis G₁₁, der sowohl das Ausgangssignal des Inverters IN der letzten Stufe als auch das Regelsignal Φ_x empfängt. Der Ausgang des NOR-Schaltkreises G₁₁ ist mit dem Inverter IN der ersten Stufe verbunden.

Der zweite Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis 60 weist einen Rin goszillator 600 und einen in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Ringoszillators 600 eine Ladungspumpoperation ausführenden Ladungs pumpschaltkreis 610 auf. Der Ringoszillator 600 umfaßt eine gerade Zahl von kaskadenförmig verbundenen Invertern IN′ und einen NAND- Schaltkreis G₁₂, der sowohl das Ausgangssignal des Inverters IN′ der letzten Stufe als auch das Regelsignal Φ_x empfängt. Der Aus gang des NAND-Schaltkreises G₁₂ ist mit dem Eingang des Inverters IN′ der ersten Stufe verbunden.

Die ersten und zweiten Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise 50 und 60 weisen unterschiedliches Treibungsvermögen auf, die durch Aus wählen der Oszillationsfrequenzen und der Kapazitätswerte der in den Ladungspumpschaltkreisen enthaltenen Kondensatoren C_a und C_b er halten werden. In diesem Fall ist die Oszillationsfrequenz des Rin goszillators 500 höher als diejenige des Ringoszillators 600, oder die Kapazität des Kondensators C_a des Ladungspumpschaltkreises 510 ist größer als diejenige des Kondensator C_b im Ladungspumpschalt kreis 610 oder es sind beide Bedingungen erfüllt.

Befindet sich das Regelsignal Φ_x auf dem H-Pegel, so gibt der Ringoszillator 500 ein Signal mit L-Pegel aus und damit ist eine La dungspumpoperation des Ladungspumpschaltkreises 510 unmöglich. Da der NAND-Schaltkreis G₁₂ als Inverter wirkt, führt im Substratspan nungs-Erzeugerschaltkreis 60 der Ringoszillator 600 eine Oszillati onsoperation und der Ladungspumpschaltkreis 610 eine Ladungspumpope ration aus.

Befindet sich das Regelsignal Φ_x auf dem L-Pegel, so wirkt der NOR-Schaltkreis G₁₁ als Inverter, während der NAND-Schaltkreis G₁₂ ein auf den H-Pegel fixiertes Signal ausgibt. Folglich wird der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis 50 mit größerem Treiberver mögen aktiviert, wodurch das Substratpotential V_BB schnell auf die vorbestimmte Vorspannung abgesenkt wird.

In diesem Fall kann die Betriebsversorgungsspannung des ersten Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreises 50 gleich der externen Versor gungsspannung V_occ und die Betriebsversorgungsspannung des zweiten Substratspannungs-Erzeugerschaltkreises 60 kann gleich der internen Versorgungsspannung V_icc sein.

Bei den in den Fig. 12 und 13 gezeigten Beispielen kann das Aus gangssignal des Substratpotential-Erfassungsschaltkreises als Steu ersignal verwendet werden. Ist das Substratpotential V_BB flacher als der vorbestimmte Vorspannungswert, so wird der Substratspannungs-Er zeugerschaltkreis betrieben. Ist das Substratpotential V_BB tiefer als der vorbestimmte Vorspannungswert, so ist der Betrieb des Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreises nicht möglich. Wird für den Fall, daß der Substratspannungserzeuger zwei Substratspannungs-Erzeuger schaltkreise mit unterschiedlichen Treibervermögen wie in Fig. 13 dargestellt aufweist, die Substratvorspannung zu tief, so kann der Betrieb von beiden Erzeugerschaltkreisen 50 und 60 gestoppt werden oder es wird nur der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis mit ge ringerem Treibervermögen wirksam. Ist die Substratvorspannung flach, so können die beiden Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise 50 und 60 gleichzeitig betrieben werden.

Obwohl das Regelsignal Φ_x bei der oben erwähnten Konstruktion als Steuersignal benutzt wird, kann der Betrieb der Substratspan nungs-Erzeugerschaltkreise auch in Abhängigkeit von der Erfassung des Pegels der internen Versorgungsspannung V_icc gesteuert werden, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist.

Fig. 14 zeigt ein Beispiel für die Schaltkreiskon struktion zum Erzeugen eines Steuersignales für eine Umschaltopera tion eines Substratspannungserzeugers entsprechend dem Pegel der in ternen Versorgungsspannung V_icc. Bezüglich der Fig. 14 weist der Steuersignal-Erzeugerschaltkreis einen p-Kanal MOS-Transistor Q₂₀ und einen n-Kanal MOS-Transistor Q₃₀ auf, die komplementär zwischen die externe Versorgungsspannung V_occ und das Massepotential ge schaltet sind. Die interne Versorgungsspannung V_icc wird an die Ga tes der Transistoren Q₂₀ und Q₃₀ angelegt. Durch Einstellen der Schwellenspannung oder des Durchlaßwiderstandes dieser Transistoren Q₂₀ und Q₃₀ ist es möglich, den Eingangslogikschwellenwert dieses Steuersignal-Erzeugerschaltkreises auf einen geeigneten Wert zu set zen. Ist die interne Versorgungsspannung V_icc niedriger als der Ein gangslogikschwellenwert des Steuersignal-Erzeugerschaltkreises, so wird folglich bei der in Fig. 14 dargestellten Schaltung ein Steuersignal Φ₅ mit H-Pegel erzeugt. Ist umgekehrt die in terne Versorgungsspannung V_icc höher als der Eingangslogikschwellen wert, so wird ein Steuersignal Φ₅ mit L-Pegel ausgegeben. Wird an stelle des Regelsignales Φ_x der in den Fig. 12 und 13 gezeig ten Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise ein invertiertes Signal des Steuersignales Φ₅ verwendet, so kann der Betrieb der Substrat spannungs-Erzeugerschaltkreise entsprechend dem Pegel der internen Versorgungsspannung V_icc gesteuert werden. Damit ist es möglich, nicht nur einen Anstieg des Substratpotentiales zum Zeitpunkt des Einschaltens der externen Versorgungsspannung V_occ zu verhindern, sondern auch eine niedrige Leistungsaufnahme zu erzielen.

Das Steuersignal Φ₅ kann auch anstelle des Steuersignales Φ₁ vom Einschalterfassungsschaltkreis 8 (siehe Fig. 7) benutzt werden, falls der Eingangslogikschwellenwert auf einen vorbestimmten Teil der internen Versorgungsspannung V_icc (d. h., einen Wert in einem stabilen Zustand) gesetzt wird.

In allen oben beschriebenen Ausführungen wird ein negatives Vorspan nungspotential an ein p-Halbleitersubstrat 700 angelegt, auf dem CMOS-Transistoren gebildet sind, wie dies in Fig. 15 dargestellt ist. Bezüglich der Fig. 15 sind der n-Kanal MOS-Transistor NQ in ei ner p-Wanne 610 und der p-Kanal MOS-Transistor PQ in einer n-Wanne 620 gebildet. Sowohl die p-Wanne 610 als auch die n-Wanne 620 sind auf dem p-Halbleitersubstrat 700 gebildet, an das das Substratvor spannungspotential V_BB angelegt wird. Bei einem derartigen Aufbau, in dem Wannenbereiche auf dem p-Halbleitersubstrat und die p-Kanal MOS-Transistoren und die n-Kanal MOS-Transistoren individuell in den einzelnen Wannenbereichen gebildet sind, kann auch ein n-Halbleiter substrat anstelle des p-Halbleitersubstrates benutzt werden. Wird ein derartiges n-Halbleitersubstrat verwendet, so können Wannenbe reiche entsprechend der Betriebsversorgungsspannung V_cc getrennt ge schaffen sein und es können verschiedene Substratvorspannungspoten tiale an die jeweiligen Wannenbereiche angelegt werden.

Fig. 16 zeigt einen Querschnitt des Aufbaus mit den an diesen angelegten Substratvorspannungspotentiale für den Fall eines derartigen n-Halbleitersubstrates. Bezüglich Fig. 16 sind die erste p-Wanne 660 und die zweite p-Wanne 670 auf dem n- Halbleitersubstrat 650 gebildet und es ist eine n-Wanne 680 zwischen den p-Wannen 660 und 670 geschaffen. Das erste Halbleitervorspan nungspotential V_BB1 wird an die erste p-Wanne 660 und das zweite Substratvorspannungspotential V_BB2 an die zweite p-Wanne 670 ange legt. Die externe Versorgungsspannung V_occ wird sowohl an das n- Halbleitersubstrat 650 als auch an die n-Wanne 680 angelegt. In ei ner derartigen Wannenstruktur sind eine Schaltkreiskomponente, die die externe Versorgungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung verwendet, in der ersten p-Wanne 660 und eine Schaltkreiskomponente, die die interne Versorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungs spannung verwendet, in der zweiten p-Wanne 670 geschaffen. Die Sub stratvorspannungen V_BB1 und V_BB2 werden entsprechend den jeweiligen Betriebsversorgungsspannungen eingestellt. In diesem Fall läuft das Verfahren zum Erstellen der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise folgendermaßen ab:

a) Es werden die vorbestimmten Substratvorspannungen an die erste und zweite p-Wanne 660 bzw. 670 durch Verwenden von ausschließlich den Substratvorspannungs-Erzeugerschaltkreisen, die mit der externen Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeiten, für die erste p-Wanne 660, und durch Verwenden von ausschließlich den Substratspannungs-Erzeugerschaltkreisen, die mit der internen Ver sorgungsspannung V_icc als Betriebsversorgungsspannung arbeiten, für die zweite p-Wanne 670 gelegt. Jeder Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis kann einen Schaltkreis zum Steuern von dessen Betrieb in Abhängig keit vom Ausgangssignal des Substratpotential-Erfassungsschaltkrei ses aufweisen. In diesem Fall können Substratspannungs-Erzeuger schaltkreise mit unterschiedlichem Treibervermögen gebildet sein, so daß einer von ihnen in Abhängigkeit vom Substratpotential arbei ten kann.
b) Es sind Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise, die mit der ex ternen Versorgungsspannung V_occ und der internen Versorgungsspannung V_icc arbeiten, in den ersten und zweiten p-Wannen 660 und 670 gebil det. In diesem Fall sind die Verfahren zum Erzeugen der Steuersi gnale für die ersten und zweiten p-Wannen 660 und 670 verschieden ausgeführt, wodurch die jeweiligen Substratpotentiale auf Werte ge setzt werden, die den Betriebsversorgungsspannungen entsprechen. Wird die Schwellenspannung des n-MOS-Transistors des Substratspan nungs-Erzeugerschaltkreises in der ersten p-Wanne 660, der mit der internen Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbei tet, klein eingestellt, so kann das Vorspannungspotential, das vom Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis, der mit der internen Versor gungsspannung V_icc arbeitet, auf einen der externen Versorgungsspan nung V_occ entsprechenden Wert eingestellt werden. Wird die Schwel lenspannung des n-Kanal MOS-Transistors im Substratspannungs-Erzeu gerschaltkreis in der zweiten p-Wanne, der mit der externen Versor gungsspannung V_occ als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, groß gemacht, so kann in ähnlicher Weise das Vorspannungspotential, das vom mit der externen Versorgungsspannung als Betriebsversorgungs spannung arbeitenden Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis erreicht wird, auf einen der internen Versorgungsspannung V_icc entsprechenden Wert gesetzt werden. In diesem Fall können die unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 14 beschriebenen Schaltkreise verwendet werden, um die Steuersignale zu kontrollieren.

Ferner ist es auch möglich, das optimale Substratvorspannungspoten tial durch eine geeignete Anpassung von ausschließlich dem Steuersi gnal-Erzeugungsverfahren ohne die Schwellenspannungen der n-Kanal MOS-Transistoren einzustellen, die in einem derartigen Pumpschalt kreis vorhanden sind, anzulegen. Es können vielfältige Kombinationen der oben unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 14 beschriebenen Ver fahren benutzt werden, um die Steuersignale in diesem Fall anzule gen.

Die oben beschriebene Halbleitereinrichtung, die ein n-Halbleitersub strat verwendet, ermöglicht es auch, eine optimale Substratvorspan nung an den p-Wannenbereich anzulegen. Ferner ist es in derselben Weise wie im Fall des p-Halbleitersubstrates möglich, dieselben Ef fekte wie Verhinderung einer Elektroneninjektion, Verminderung der "Soft-Error-Rate", Vermeidung der Latch-up-Erscheinung, zu erzie len.

Ferner erfolgte bei den oben beschriebenen Ausführungsformen die Be schreibung anhand eines Falles, bei dem ein mit der externen Versor gungsspannung V_occ arbeitender Substratspannungs-Erzeugerschaltkreis und ein mit der internen Versorgungsspannung V_icc arbeitender Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreis gebildet ist, und eines Falles, in dem Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise mit verschiedenem Treibervermögen verwendet werden. In diesen Fällen werden die Os zillationsfrequenzen der Ringoszillatoren in den jeweiligen Sub stratspannungs-Erzeugerschaltkreisen konstant gehalten. Es ist je doch auch möglich, unter Verwendung der Steuersignale in diesen Aus führungen die Oszillationsfrequenzen der Ringoszillatoren zu verän dern.

Diese Oszillationsfrequenzänderung der Ringoszillatoren kann durch Änderung der Zahl miteinander verbundener Inverterstufen, die die jeweiligen Ringoszillatoren bilden, erfolgen. Genauer gesagt ist für den Fall von Ringoszillatoren die Oszillationsfrequenz umso größer, je kleiner die Zahl der Inverterstufen ist, und umgekehrt ist die Oszillationsfrequenz umso kleiner, je größer die Zahl der Inverter stufen ist. Damit wird zwischen dem Ausgang des Inverters der letz ten Stufe und dem Ausgangsanschluß eine Schalteinrichtung gebildet, und es wird eine Schalteinrichtung, die den Ausgang einer beliebigen Inverterzwischenstufe mit dem Ausgangsanschluß verbindet, geschaf fen, wodurch diese Schalteinrichtungen in Abhängigkeit von den Steu ersignalen in komplementärer Weise betrieben werden, um die Oszilla tionsfrequenz zu ändern.

Ferner kann für den Fall, daß Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise mit verschiedenem Treibervermögen in den oben beschriebenen Aus führungsformen verwendet werden, das Treibervermögen der Substrat spannungs-Erzeugerschaltkreise durch die Oszillationsfrequenzen der Ringoszillatoren verändert werden und entsprechend wird selbst bei Verwendung von einem der Substratspannungs-Erzeugerschaltkreise die Zahl der miteinander verbundenen Inverterstufen des Ringoszillators durch ein Steuersignal verändert, wodurch das Treibervermögen ge ändert werden kann.

Claims

1. Substratspannungserzeuger für eine Halbleitereinrichtung mit einem Halbleitersubstrat (650; 700), mit
einem Spannungskonverter (103) zum Herabstufen einer extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) auf eine vorbestimmte Spannung und zum Erzeugen einer intern herabgestuften Versorgungsspannung, (V_icc),
einer Spannungsmessungseinrichtung (8; Q₂₀, Q₃₉; 110, 111) zum Erzeugen eines Ausgangssignals (Φ_x, Φ₁), wenn die intern herabgestufte Versorgungsspannung (V_icc) einen stabilen Zustand erreicht hat,
einer mit der extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) als Betriebsversorgungsspannung arbeitenden ersten Vorspannungserzeugerschaltung (1, 3; 5, 6) zum Anlegen einer ersten Vorspannung an das Halbleitersubstrat,
einer mit der intern herabgestuften Versorgungsspannung (V_icc) als Betriebsversorgungsspannung arbeitenden zweiten Vorspannungserzeugerschaltung (2, 4; 5, 6) zum Anlegen einer zweiten Vorspannung an das Halbleitersubstrat, und
einer Aktivierungseinrichtung (G₁, G₂; Q₁₀, Q₁₁, G₅, G₆) zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (Φ_x, Φ₁) der Spannungsmessungseinrichtung.

2. Substratspannungserzeuger in einer Halbleitereinrichtung mit einem Spannungskonverter (103) zum Herabstufen einer extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) auf eine vorbestimmte Spannung und zum Erzeugen einer intern herabgestuften Versorgungsspannung, (V_icc), wobei die Halbleitereinrichtung auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist, mit
einer ersten Versorgungsspannungserzeugerschaltung (1, 3; 5, 6), die mit der extern angelegten Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, zum Anlegen einer ersten Vorspannung an das Halbleitersubstrat,
einer zweiten Versorgungsspannungserzeugerschaltung (2, 4; 5, 6), die mit der intern herabgestuften Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, zum Anlegen einer zweiten Vorspannung an das Halbleitersubstrat,
einer Substratpotential-Erfassungseinrichtung (7) zum Erfassen des Potentiales des Halbleitersubstrates, und
einer von einem Ausgangssignal der Substratpotential-Erfassungseinrichtung abhängigen ersten Aktivierungseinrichtung (IND₂, IND₃, G₁, G₂) zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Versorgungsspannungserzeugerschaltung.

3. Erzeuger nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Spannungsmessungseinrichtung (8; Q₂₀, Q₃₉; 110, 111) zum Erfassen, ob sich die intern herabgestufte Versorgungsspannung in einem stabilen Zustand befindet oder nicht, und
eine vom Ausgangssignal der Spannungsmessungseinrichtung ab hängige zweite Aktivierungseinrichtung (G₁, G₂; Q₁₀, Q₁₁, G₅, G₆) zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Versorgungsspannungserzeugerschaltung.

4. Substratspannungserzeuger nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmessungseinrichtung eine Erfassungseinrichtung (R₁, C₂₅) zum Erfassen des Anlegens der extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) an die Halbleitereinrichtung und
eine von einem Ausgangssignal der Erfassungseinrichtung abhängige Steuersignal-Substratspannungserzeugereinrichtung (IN₃₀ bis IN₃₃) zum Erzeugen eines Steuersignales (Φ₁) und zum Anlegen desselben an die Aktivierungseinrichtung aufweist.

5. Substratspannungserzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignal-Erzeugereinrichtung,
eine von einem Ausgangssignal der Erfassungseinrichtung abhängige erste Steuersignal-Erzeugereinrichtung (IN₃₀ bis IN₃₂) zum Erzeugen eines ersten Steuersignales, das die erste Vorspannungserzeugerschaltung während einer vorbestimmten Zeitspanne aktiviert, und
eine vom Ausgangssignal der Erfassungseinrichtung abhängige zweite Steuersignal-Erzeugereinrichtung (IN₃₀ bis IN₃₃) zum Erzeugen eines zweiten Steuersignales, das die zweite Vorspannungserzeugerschaltung nach dem Verstreichen dieser vorbestimmten Zeitspanne aktiviert, aufweist.

6. Substratspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmessungseinrichtung eine Schalteinrichtung mit Schwellenwert (Q₂₀, Q₃₀) zum Bilden einer Schwelle für die intern herabgestufte Spannung und zum Anlegen der entstehenden Spannung an die Aktivierungseinrichtung aufweist.

7. Substratspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabsenkkonverter einen von der extern angelegten Versorgungsspannung abhängigen Referenzspannungs-Erzeugerschaltkreis (110) zum Erzeugen einer vorbestimmten Referenzspannung, eine Vergleichseinrichtung (111) zum Vergleichen der intern herabgestuften Spannung mit der Referenzspannung und zum Erzeugen eines Regelsignales entsprechend dem Ergebnis des Vergleiches, und einen vom Regelsignal abhängigen Ausgangsschaltkreis (112) zum Konvertieren der extern angelegten Versorgungsspannung in die intern herabgestufte Spannung und zum Ausgeben der intern herabgestuften Spannung aufweist, und
daß die Spannungsmessungseinrichtung die Vergleichseinrichtung aufweist und das Regelsignal an die Aktivierungseinrichtung als selektives Aktivierungssteuersignal angelegt wird.

8. Substratspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Vorspannungserzeugerschaltung einen gemeinsamen Ringoszillator (5) mit einer Mehrzahl von kaskadenförmig verbundenen Invertern und einen von einem Ausgangssignal des Ringoszillators abhängigen Schaltkreis (6) zum Erzeugen einer Vorspannung durch eine Ladungspumpfunktion und zum Anlegen der Vorspannung an das Halbleitersubstrat aufweist, und
daß die Aktivierungseinrichtung eine von einem Ausgangssignal der Spannungsmessungseinrichtung abhängige Einrichtung (Q₁₀, Q₁₁) zum selektiven Anlegen von entweder der extern angelegten Versorgungsspannung oder der intern herabgestuften Spannung an den Ringoszillator als Betriebsversorgungsspannung aufweist.

9. Substratspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch eine Substratspannungsmessungseinrichtung (7) zum Erfassen des Potentials des Halbleitersubstrates und eine von einem Ausgangssignal der Substratspannungsmessungseinrichtung abhängige Steuersignal-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Steuersignales zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung und zum Anlegen des Steuersignales an die Aktivierungseinrichtung.

10. Substratspannungserzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungseinrichtung
eine von einem Ausgangssignal der Spannungsmessungseinrichtung und einem Ausgangssignal der Steuersignal-Erzeugungseinrichtung abhängige erste Aktivierungseinrichtung (G₅, IV₁, G₁) zum Aktivieren der ersten Vorspannungserzeugerschaltung, falls die intern herabgestufte Spannung instabil und das Potential des Halbleitersubstrates kleiner als ein vorbestimmter Pegel ist, und
eine vom Ausgangssignal der Spannungsmessungseinrichtung und dem Ausgangssignal der Substratspannungsmessungseinrichtung abhängige zweite Aktivierungseinrichtung (G₂, G₆, IV₃) zum Aktivieren der zweiten Vorspannungserzeugerschaltung, falls die intern herabgestufte Spannung stabil und das Potential des Substrates tiefer als der vorbestimmte Pegel ist, aufweist.

11. Substratspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine vom Potential des Substrates abhängige Einrichtung zum Regeln des Pegels der intern herabgestuften Spannung und zum Übertragen des geregelten Pegels an die zweite Vorspannungserzeugerschaltung.

12. Substratspannungserzeuger in einer Halbleitereinrichtung mit einem Spannungskonverter (103) zum Herabstufen einer extern angelegten Versorgungsspannung und zum Erzeugen einer intern herabgestuften Versorgungsspannung, wobei die Halbleitereinrichtung auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist und der Substratspannungserzeuger
eine Vorspannungserzeugerschaltung (300, 310; 50, 60) zum Anlegen einer vorbestimmten Vorspannung an das Halbleitersubstrat aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Substratspannungserzeuger eine von der intern herabgestuften Spannung abhängige Aktivierungseinrichtung (110, 111, G₁₀; 110, 111, G₁₁, G₁₂; Q₂₀, Q₃₀, G₁₀; Q₂₀, Q₃₀; G₁₁, G₁₂) zum selektiven Aktivieren der Vorspannungserzeugerschaltung aufweist.

13. Substratspannungserzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungserzeugerschaltung eine einzelne Substratvorspannungs-Anlegeschaltkreiseinrichtung (300, 310) aufweist.

14. Substratspannungserzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungserzeugerschaltung eine erste Substratvorspannungs-Anlegeeinrichtung (50) mit einer ersten Strombelastbarkeit zum Anlegen einer ersten Vorspannung an das Halbleitersubstrat und
eine zweite Substratvorspannungs-Anlegeeinrichtung (60) mit einer Strombelastbarkeit, die größer als die erste Strombelastbarkeit ist, zum Anlegen einer zweiten Vorspannung an das Halbleitersubstrat aufweist, und
daß die Aktivierungseinrichtung eine von der intern herabgestuften Spannung abhängige Einrichtung (G₁₁, G₁₂) zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung aufweist.

15. Verfahren zum Erzeugen einer Substratspannung in einer Halbleitereinrichtung mit
einem Spannungskonverter (103) zum Herabstufen einer extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) auf eine vorbestimmte Spannung und zum Erzeugen einer intern herabgestuften Versorgungsspannung, (V_icc),
einer mit der extern angelegten Versorgungsspannung (V_occ) als Betriebsversorgungsspannung arbeitenden ersten Vorspannungserzeugerschaltung zum Anlegen einer ersten Vorspannung an ein Halbleitersubstrat, und
einer mit der intern herabgestuften Versorgungsspannung (V_icc) als Betriebsversorgungsspannung arbeitenden zweiten Vorspannungserzeugerschaltung zum Anlegen einer zweiten Vorspannung an das Halbleitersubstrat, gekennzeichnet durch die Schritte:
Erfassen eines stabilen Zustands der intern herabgestuften Versorgungsspannung und
selektives Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung, wenn der stabile Zustand erreicht ist.

16. Substratspannungs-Erzeugungsverfahren in einer Halbleitereinrichtung mit einem Spannungsabsenkungskonverter (103) zum Herabstufen einer extern angelegten Versorgungsspannung auf eine vorbestimmte Spannung und zum Erzeugen einer intern herabgestuften Versorgungsspannung, wobei die Halbleitereinrichtung auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist und eine erste Vorspannungserzeugerschaltung (1, 3; 5, 6), die mit der extern angelegten Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, zum Anlegen einer ersten Vorspannung an das Halbleitersubstrat, und eine zweite Vorspannungserzeugerschaltung, die mit der intern herabgestuften Versorgungsspannung als Betriebsversorgungsspannung arbeitet, zum Anlegen einer zweiten Vorspannung an das Halbleitersubstrat aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte:
Erfassen des Potentials des Halbleitersubstrates und
selektives Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit vom erfaßten Potential des Substrates.

17. Erzeugungsverfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch den Schritt:
Erfassen eines stabilen Zustandes der intern herabgestuften Versorgungsspannung und
selektives Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Erfassung des stabilen Zustandes.

18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erfassung des stabilen Zustandes die Schritte:
Erfassen der Anlegung der extern zugeführten Versorgungsspannung an die Halbleitereinrichtung und
Erzeugen eines Steuersignales in Abhängigkeit von der Erfassung der Anlegung der extern angelegten Versorgungsspannung sowie selektives Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuersignal-Erzeugungsschritt die Schritte:
Erzeugen eines ersten Steuersignales, das die erste Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Erfassung der Anlegung der Versorgungsspannung während einer vorbestimmten Zeitspanne aktiviert, und
Erzeugen eines zweiten Steuersignales, das die zweite Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Erfassung der Anlegung der Versorgungsspannung nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne aktiviert, umfaßt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erfassung des stabilen Zustandes den Schritt
Schwellenwertbildung für die intern herabgestufte Spannung und selektives Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Schwellenspannung umfaßt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 17 bis 20, wobei der Spannungskonverter einen von der extern angelegten Versorgungsspannung abhängigen Referenzspannungs-Erzeugerschaltkreis (110) zum Erzeugen einer vorbestimmten Referenzspannung, eine Vergleichseinrichtung (111) zum Vergleichen der intern herabgestuften Spannung mit der Referenzspannung und zum Erzeugen eines Regelsignales entsprechend dem Ergebnis des Vergleiches, und einen vom Regelsignal abhängigen Ausgangsschaltkreis (112) zum Konvertieren der extern angelegten Versorgungsspannung in die intern herabgestufte Spannung und zum Ausgeben der intern herabgestuften Spannung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erfassung des stabilen Zustandes den Schritt der Verwendung des Regulierungssignales von der Vergleichseinrichtung als selektives Aktivierungssteuersignal zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung umfaßt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 17 bis 21, wobei die erste und zweite Vorspannungserzeugerschaltung einen gemeinsamen Ringoszillator (5) mit einer Mehrzahl kaskadenförmig verbundener Inverter und einen von einem Ausgangssignal des Ringoszillators abhängigen Schaltkreis (6) zum Erzeugen einer Vorspannung durch eine Ladungspumpfunktion und zum Anlegen der Vorspannung an das Halbleitersubstrat aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Aktivierungsschritt den Schritt der selektiven Zuführung von entweder der extern angelegten Versorgungsspannung oder der intern herabgestuften Spannung an den Ringoszillator als Betriebsversorgungsspannung in Abhängigkeit von der Erfassung des stabilen Zustandes aufweist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 18 bis 22 gekennzeichnet durch den Schritt der Erzeugung eines Steuersignals zum selektiven Aktivieren der ersten und zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit vom erfaßten Potential des Substrates.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der selektive Aktivierungsschritt die Schritte:
Aktivieren der ersten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Erfassung des stabilen Zustandes und des Steuersignales, wenn die intern herabgestufte Spannung instabil und das Potential des Halbleitersubstrates kleiner als ein vorbestimmter Pegel ist, und
Aktivieren der zweiten Vorspannungserzeugerschaltung in Abhängigkeit von der Erfassung des stabilen Zustandes und dem erfaßten Potential des Substrates, wenn die intern herabgestufte Spannung stabil und das Potential des Halbleitersubstrates tiefer als der vorbestimmte Pegel ist, umfaßt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, gekennzeichnet durch den Schritt:
Regulierung des Pegels der intern herabgestuften Spannung in Abhängigkeit vom Potential des Halbleitersubstrates und Übertragen der geregelten intern herabgestuften Spannung an die zweite Vorspannungserzeugerschaltung.