DE4135148A1 - Schaltkreis zum feststellen des rueckwaertigen vorspannungspegels in einer halbleiterspeichervorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halblei­ terspeichervorrichtung und insbesondere auf einen Schalt­ kreis zum Feststellen des rückwärtigen Vorspannungspegels, der von einem rückwärtigen Vorspannungsgenerator erzeugt wird.

Im allgemeinen wird ein Substrat einer Halbleiterspei­ chervorrichtung mit einer negativen Vorspannung eines vorge­ gebenen Wertes versehen, um der Schwellspannung eines in der Speichervorrichtung eingebauten MOS-Transistors zu ermögli­ chen, stabil zu sein, um einen parasitischen Transistoref­ fekt zu verhindern und eine Fehlfunktion der Vorrichtung aufgrund einer Unterreaktion auf ein externes Signal zu ver­ hindern. Zum Beispiel muß in dem Fall, in dem eine DRAM- Zelle einen NMOS-Transistor und einen Kondensator aus lei­ tendem n-Typ Polysilizium (oder einen Kondensator mit einem leitenden n-Typ Diffusionsbereich) als Speicherzelle be­ sitzt, eine spezielle Spannung von -2 - -2,5 V an das Sub­ strat (oder die Plattenelektrode des Kondensators) angelegt werden. Diese Spannung wird die rückwärtige Vorspannung oder Substratspannung genannt. Im allgemeinen besitzt ein Schalt­ kreis zum Erzeugen der rückwärtigen Vorspannung (hiernach kurz der rückwärtige Vorspannungsgenerator bezeichnet) einen Pumpschaltkreis, um die rückwärtige Vorspannung auf einer konstanten negativen Spannung eines vorgegebenen Werts zu halten, einen Oszillator, zum Antreiben des Pumpschaltkrei­ ses und einen rückwärtigen Vorspannungssensor zum Feststel­ len des augenblicklichen rückwärtigen Vorspannungswertes und zum Regeln des Oszillators in Abhängigkeit von dem Sensorsi­ gnal.

In Fig. 6 ist ein solcher rückwärtiger Vorspannungsgene­ rator schematisch gezeigt, wobei ein Oszillator 100 im all­ gemeinen aus einer Inverterkette besteht und ein Pumpschalt­ kreis 300 einen Kondensator zum Pumpen der rückwärtigen Vor­ spannung VBB in Abhängigkeit von einem Pumptakt, der an die­ sen von dem Oszillator 100 über einen Treiber 200 angelegt wird, umfaßt. Außerdem wird die rückwärtige Vorspannung VBB über den rückwärtigen Vorspannungssensor 400 an den Oszilla­ tor 100 zurückgeführt. Der rückwärtige Vorspannungssensor 400 ändert die Ausgabe des Oszillators 100 in Abhängigkeit von einem Sensorsignal der augenblicklichen rückwärtigen Vorspannung VBB. Insbesondere, wenn der augenblickliche Wert der rückwärtigen Vorspannung kleiner als ein gewünschter Wert ist (in diesem Falle muß der rückwärtige Vorspannungs­ pegel erhöht werden), führt der rückwärtige Vorspannungssen­ sor 400 diesen Umstand zum Oszillator 100 zurück: also er­ zeugt der Oszillator 100 ein Regelungssignal (oder einen Pumptakt) zum Einschalten des Pumpschaltkreises 300 in Ab­ hängigkeit von dem Ausgangssignal des rückwärtigen Vorspan­ nungssensors 400. Als Ergebnis führt der Pumpschaltkreis 300 den Pumpvorgang durch, wodurch die niedrige rückwärtige Vor­ spannung VBB auf den gewünschten Spannungswert erhöht wird.

Es sollte festgestellt werden, daß in dieser Anmeldung der Einfachheit halber der Begriff rückwärtige Vorspannung sich auf einen Absolutwert bezieht. Wenn im Gegensatz dazu die augenblickliche rückwärtige Vorspannung VBB höher als der gewünschte Wert ist (in diesem Fall muß die rückwärtige Vorspannung erniedrigt werden), erzeugt der Oszillator 100 in Abhängigkeit von dem Sensorsignal von dem rückwärtigen Vorspannungssensor 400 ein Regelungssignal, um den Pump­ schaltkreis 300 zu behindern, den Pumpvorgang durchzuführen.

Es wird im wesentlichen erfordert, daß der rückwärtige Vorspannungssensor die rückwärtige Vorspannung wirkungsvoll feststellt, ohne direkt den rückwärtigen Vorspannungswert selbst zu beeinflussen. Ein Beispiel eines herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors verwendet einen Spannungs­ teiler aus Widerständen oder Widerstandselementen. Eine sol­ che Vorrichtung ist in US-A-44 71 290, erteilt am 11. Sep­ tember 1984, offengelegt. In dem offengelegten Patent umfaßt der rückwärtige Vorspannungssensor einen Spannungsteiler aus Reihenwiderständen R1, R2, die zwischen der rückwärtigen Vorspannung und dem Erdpotential geschaltet sind. Ein Ver­ bindungsknoten dieser Serienwiderstände ist mit dem Eingang eines Pegelsensors verbunden.

Demzufolge besitzt der Verbindungsknoten des Spannungs­ teilers immer den rückwärtigen Vorspannungswert VBB R2/(R1+R2), und dieser geteilte Spannungswert wird durch den Pegelsensor mit einer Referenzspannung verglichen. Der Pegelsensor führt das Vergleichssignal an den Oszillator zu­ rück. Jedoch entsteht stets ein Stromfluß über die Reihenwi­ derstände R1 und R2 zwischen dem rückwärtigen Vorspannungs­ anschluß und dem Erdpotentialanschluß, was also nicht nur durch die Löcherströme im Halbleitersubstrat sondern auch durch den Stromfluß durch die Reihenwiderstände (also durch den Stromfluß von dem Erdpotentialanschluß zum rückwärtigen Vorspannungsanschluß) zu einer Verschlechterung der rückwär­ tigen Vorspannung führt.

Ein weiteres Beispiel des herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors ist in Fig. 7 gezeigt. Dieser Schalt­ kreis verwendet die Gleichrichtereigenschaften eines als Di­ ode geschalteten MOS-Transistors. Wie gezeigt, sind ein PMOS-Transistor 21 und ein NMOS-Transistor 23 immer ange­ schaltet, und die Spannung eines Verbindungsknotens 22 wird durch die Spannungsteilervorrichtung bestimmt, die aus den MOS-Transistoren 21, 23 und 34 besteht. Der Verbindungskno­ ten 22 der in Reihe geschalteten MOS-Transistoren 21 und 23 ist mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden und mit dem Oszillator der Fig. 6 über einen Verzögerungsschaltkreis 26 verbunden. Der PMOS-Transistor 24 ist zwischen dem NMOS- Transistor 23 und der rückwärtigen Vorspannung VBB ange­ schlossen, wobei ein Ende des Kanals und das Gate des PMOS- Transistors 24 gemeinsam mit der rückwärtigen Vorspannung verbunden sind und das andere Ende des Kanals mit dem Kanal des NMOS-Transistors 23 verbunden ist. Die Spannung am Ver­ bindungsknoten 22 wird über den Verzögerungsschaltkreis 26 an den Oszillator 100 angelegt und kann darüberhinaus vorher durch Änderung der Größe der MOS-Transistoren 21, 23 und 24 auf eine Spannung VBBD eingestellt werden.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen 8A bis 8F wird der Betrieb des herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors beschrieben. In den Zeichnungen sind die rückwärtige Vor­ spannung VBB, der Durchgangsstrom Ix von der Versorgungs­ spannung Vcc zum rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB, die Spannung V22 am Verbindungsknoten 22, die Ausgangsspannung V28 des Verzögerungsschaltkreises 26, der Spannungsausgang V_osc des Oszillators 100 und eine detaillierte Spannungskurve des rückwärtigen Spannungssensors dargestellt. Es wird fest­ gestellt, daß der Durchlaßstrom Ix proportional zur rückwär­ tigen Vorspannung VBB ist. Wie in Fig. 8A ersichtlich, ist bis zur Zeit t1 der Spannungswert VBB ein niedrigerer nega­ tiver Wert (also ein höherer Absolutwert) als der Spannungs­ wert VBBD; daher ist der Durchlaßstrom Ix auch größer als der zum Zeitpunkt t1. Das kommt daher, daß der Duchlaßstrom Ix in den rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB fließt und daher der rückwärtige Vorspannungspegel in unerwünschter Weise aufgrund des Durchlaßstromes Ix (und des Löcherstromes des Substrats) zunimmt. Diese Phänomen wird Verschlechterung der rückwärtigen Vorspannung bezeichnet.

In der Zwischenzeit, werden zum Zeitpunkt t1 die Span­ nungen VBB und VBBD identisch, und daher besitzt die Span­ nung VBB schrittweise einen niedrigeren Absolutwert als VBBD. Daher nimmt der Durchlaßstrom Ix ab und der Spannungs­ pegel am Verbindungsknoten 22 nimmt zu. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der in den rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB flie­ ßende Durchlaßstrom Ix ab. Daher nimmt die Spannung V22 am Verbindungsknoten 22 zu, wodurch der Spannungsausgang V28 des Verzögerungsschaltkreises 26 auf einen logisch hohen Pe­ gel geändert wird, der an den Oszillator 100 angelegt wird (siehe Fig. 8C und 8D). Dann wird der Oszillator 100 freige­ geben und erzeugt demzufolge Pumptaktimpulse, wie in Fig. 8E gezeigt, die an den Pumpschaltkreis 300 angelegt werden, so daß der Pumpschaltkreis 300 zum Zeitpunkt t2 die Pumpopera­ tion für die rückwärtige Vorspannung durchführt. Bei Durch­ führung des Spannungspumpvorgangs nimmt, wenn zum Zeitpunkt t3 die Spannung VBB die Spannung VBBD schneidet, die Span­ nung V22 am Verbindungsknoten 22 ab, wodurch letztlich zum Zeitpunkt t4 die Eingangsspannung für den Oszillator 100 auf den logisch niedrigen Pegel geändert wird, wie in Fig. 8E gezeigt, so daß der Pumpvorgang zum Zeitpunkt t4 aufhört. Da der Durchlaßstrom Ix selbst dann in den rückwärtigen Vor­ spannungsanschluß VBB fließt, wenn der Pumpvorgang zum Zeit­ punkt t4 anhält, nimmt der Absolutwert der rückwärtigen Vor­ spannung erneut ab. In der Zwischenzeit wird zum Zeitpunkt t5 die rückwärtige Vorspannung VBB niedriger als die Span­ nung VBBD, und der vorstehende Vorgang wird wiederholt.

Im folgenden wird auf Fig. 8F Bezug genommen, um die konkreten Betriebskurven des rückwärtigen Vorspannungssen­ sors 4 der Fig. 7 zu zeigen. In der Zeichnung stellen die Kurven V22, V27 und V29 die Spannungen an den Verbindungs­ knoten 22, 27 und 29 dar. Da das Gate des PMOS-Transistors 21 des rückwärtigen Vorspannungssensors 4 mit dem Erdpoten­ tial Vss beaufschlagt ist, besitzt die Gate-Source-Spannung Vgs einen konstanten Spannungswert, der von der Versorgungs­ spannung Vcc unabhängig ist. Daher wird die Spannung am Aus­ gangsknoten 22 stark entsprechend den Änderung der Versor­ gungsspannung beeinflußt, wie in Fig. 8F gezeigt. Zusätzlich dauert es für den Durchlaßstrom Ix relativ lange, durch die beiden MOS-Transistoren 23 und 24 zu gehen, so daß der rück­ wärtige Vorspannungssensor eine langsame Responsecharakteri­ stik besitzt.

Wie oben beschrieben, ist der herkömmliche rückwärtige Vorspannungssensor der Fig. 7 so ausgeführt, daß der rück­ wärtige Vorspannungsanschluß unter dem direkten Einfluß des Durchlaßstromes Ix zum Feststellen der rückwärtigen Vorspan­ nung steht, wodurch es zu Verschlechterungen in der rückwär­ tigen Vorspannung kommt, die hauptsächlich durch den Durch­ laßstrom (zum Feststellen des rückwärtigen Vorspannungspe­ gels) und durch den Löcherstrom des Substrats verursacht werden. Als Ergebnis ist es daher unvermeidlich, den Oszil­ lator 100 und den Pumpschaltkreis 300 in dem herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungsgenerator oft an- und auszuschal­ ten, so daß dessen Zuverlässigkeit (insbesondere die des rückwärtigen Vorspannungssensors) niedrig und der Gesamt­ stromverbrauch des rückwärtigen Vorspannungsgenerators hoch ist. Darüberhinaus wird, wie in Fig. 8A gezeigt, im Falle einer abrupten Änderung der rückwärtigen Vorspannung VBB zu einem anderen Spannungswert aufgrund des Pumpvorgangs ein Spitzenwert im Stromfluß zum rückwärtigen Vorspannungsan­ schluß VBB erzeugt. Wenn dieser Spitzenstrom aufgrund der sehr häufigen Pumpvorgänge oft erzeugt wird, kann die Vor­ richtung eine Fehlfunktion oder einen Defekt erleiden, und im schlimmsten Fall kann ein dielektrischer Durchbruch der Gateoxydschicht des PMOS-Transistors 24 auftreten. In beiden Fällen, dem des US-Patents und der Fig. 7, können sie die­ selbe ungünstige Situation, wie oben beschrieben, verursa­ chen aufgrund der Tatsache, daß die rückwärtige Vorspannung unter dem direkten Einfluß ihres Sensorstromes steht. Da insbesondere im Falle der Schaltung der Fig. 7 die an das Gate des Last-PMOS-Transistors 21 angelegte Spannung unab­ hängig von der Versorgungsspannung ist, wird dieser rückwär­ tige Vorspannungssensor beträchtlich durch eine Änderung der Versorgungsspannung beeinflußt. Es wird dem Fachmann weiter­ hin klar sein, daß jedweder herkömmliche rückwärtige Vor­ spannungsgenerator, der den oben beschriebenen rückwärtigen Vorspannungssensor verwendet, dieselben Probleme besitzen wird.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sehr zuverlässigen Schaltkreis zum Feststellen des rückwärtigen Vorspannungspegels zur Verwendung in einem rückwärtigen Vorspannungsgenerator zur Verfügung zu stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rückwärtigen Vorspannungsgenerator mit einem niedrigen Stromverbrauch zur Verfügung zu stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schaltkreis zum Feststellen des rückwärtigen Vorspan­ nungspegels zur Verfügung zu stellen, der sehr schnell und von hoher Zuverlässigkeit ist.

Diese und weitere Aufgaben werden durch den Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärtigen Vorspannungspegels, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, ge­ löst.

Entsprechend einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfin­ dung umfaßt ein Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärti­ gen Vorspannungspegels in einem rückwärtigen Vorspannungsge­ nerator mit einem Pumpschaltkreis: einen Regelungsanschluß, der mit der rückwärtigen Vorspannung verbunden ist; einen Sensoranschluß, der mit dem Pumpschaltkreis über einen Trei­ ber zum Betreiben des Pumpschaltkreises verbunden ist; und einen elektrischen Kanal zum elektrischen Verbinden des Sen­ soranschlusses mit einem Erdpotentialbezugsspannungsanschluß in Abhängigkeit von dem Wert der rückwärtigen Vorspannung, wobei der Kanal durch ein Isolierelement elektrisch von dem Regelungsanschluß isoliert ist.

Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegen­ den Erfindung umfaßt ein Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärtigen Vorspannungspegels in einem, rückwärtigen Vor­ spannungsgenerator mit einem Pumpschaltkreis zum Erzeugen einer rückwärtigen Vorspannung eines gegebenen Wertes für das Substrat und mit einem Oszillator zum Bereitstellen von Pumptaktimpulsen für den Pumpschaltkreis: einen ersten PMOS- Transistor, dessen Gate mit der Spannung Vcc/2 des Zellplat­ tengenerators verbunden ist, von dem ein Kanalende mit der Versorgungsspannung verbunden ist und von dem das andere Ka­ nalende mit dem Eingangsanschluß des Oszillators verbunden ist, und einen zweiten PMOS-Transistor, dessen Gate mit der rückwärtigen Vorspannung verbunden ist, und von dem ein Ka­ nalende mit dem Erdpotential und von dem das andere Kana­ lende mit dem Kanal des ersten PMOS-Transistors verbunden ist.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung und, um zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, wird nun beispiel­ haft auf die beigefügten, diagrammatischen Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines rückwärtigen Vorspannungssensors nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines rückwärtigen Vorspannungssensors nach der vorliegenden Er­ findung.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines rückwärtigen Vorspannungssensors nach der vorliegenden Er­ findung.

Fig. 4 zeigt die Verwendung des erfindungsgemäßen rück­ wärtigen Vorspannungssensors in dem rückwärtigen Vorspan­ nungsgenerator der Fig. 6.

Die Fig. 5A bis 5F zeigen Betriebskurven des erfin­ dungsgemäßen rückwärtigen Vorspannungssensors.

Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer elementaren Form eines rückwärtigen Vorspannungsgenerators.

Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm eines herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors.

Die Fig. 8A bis 8F zeigen Betriebskurven des herkömm­ lichen rückwärtigen Vorspannungssensors der Fig. 7.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen rückwärtigen Vorspannungssensors einen PMOS-Transistor 31, einen NMOS-Transistor 33 und einen Ver­ zögerungsschaltkreis 36, die auf dieselbe Weise wie in her­ kömmlichen Sensoren miteinander verbunden sind. Jedoch ist ein PMOS-Transistor 34 zwischen dem NMOS-Transistor 33 und dem Erdpotential Vss angeordnet, wobei das Gate des PMOS- Transistors 34 mit der rückwärtigen Vorspannung VBB verbun­ den ist. Der Spannungspegel am Verbindungsknoten 22 der in Reihe geschalteten MOS-Transistoren 31 und 33 hängt von dem Betriebszustand des PMOS-Transistors 34 ab.

Im folgenden wird nun Bezug genommen auf die Fig. 2, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Wie gezeigt, ist das Gate des Last-PMOS-Transistors 11 mit der Zellplattenspannung Vp, die Vcc/2 beträgt, beaufschlagt, und ein Ende des Kanals ist mit der Versorgungsspannung und das andere Ende des Kanals ist mit dem Ausgangsknoten 12 verbun­ den. Weiterhin ist das Gate des Treiber-PMOS-Transistors 13 mit der rückwärtigen Vorspannung VBB verbunden, wobei ein Ende des Kanals mit dem Erdpotential und das andere Kana­ lende mit dem Ausgangsknoten 12 verbunden ist. Es sollte festgestellt werden, daß in diesem Ausführungsbeispiel das Treiberelement aus einem einzigen PMOS-Transistor 13 besteht und daher eine relativ schnelle Responsecharakteristik verg­ lichen mit den Schaltkreisen der Fig. 7 und 1 besitzt. Aus dem Vorstehenden ist klar, da das Ausführungsbeispiel so ausgeführt ist, daß der Strom nicht von dem Versorgungsspan­ nungsanschluß VCC in den rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB fließen kann und daß das Gate des PMOS-Transistors 11 mit der konstanten Spannung Vcc/2 beaufschlagt ist, so daß es möglich ist, die abrupten Änderungen des Durchlaßstromes Ix aufgrund von Versorgungsspannungsänderungen zu verhin­ dern. In der Zwischenzeit ist es im Stand der Technik wohl­ bekannt, daß die Zellplattenspannung Vp eine Spannung ist, die von dem Zellplattenspannungsgenerator (nicht gezeigt) erzeugt wird und im allgemeinen Vcc/2 beträgt.

In Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des er­ findungsgemäßen rückwärtigen Vorspannungssensors gezeigt. Dieser besitzt eine Mehrzahl von PMOS-Transistoren 41, 44, 46, deren Gates jeweils mit einem Ende der jeweiligen Kanäle verbunden sind, wobei die PMOS-Transistoren zwischen der Versorgungsspannung Vcc und dem Erdpotential Vss miteinander in Reihe geschaltet sind. Ein Vorspannungsknoten 45 wird an der Verbindung der PMOS-Transistoren 44 und 46 gebildet. Die PMOS-Transistoren 41, 44, 46 bilden zusammen mit dem Vor­ spannungsknoten 45 einen Vorspannungsschaltkreis, und die Spannung am Vorspannungsknoten 45 beträgt 1/3 Vcc, vorausge­ setzt, daß alle PMOS-Transistoren von derselben Größe sind. Der Vorspannungsknoten 45 ist mit dem Gate eines PMOS-Tran­ sistors 48 verbunden, dessen Kanal zwischen der Versorgungs­ spannung Vcc und einem Sensorknoten 49 angeschlossen ist. Das Gate des PMOS-Transistors 48 wird von dem Vorspannungs­ knoten 45 mit einer konstanten Spannung versorgt, so daß der PMOS-Transistor 48 als ein Lastelement dient, durch das ein konstanter Strom in den Sensorknoten 49 fließt. Ein PMOS- Transistor, dessen Gate mit der rückwärtigen Vorspannung VBB beaufschlagt ist, ist zwischen dem Sensorknoten 49 und dem Erdpotential Vss angeschlossen. Ähnlich zu dem Ausführungs­ beispiel der Fig. 1 und 2, hängt der Spannungspegel des Sensorknotens 49 von dem Betriebszustand des PMOS-Transi­ stors 50 ab.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 sollte festge­ stellt werden, daß die Transistoren 34, 13 und 50, deren Ga­ tes mit der rückwärtigen Vorspannung VBB verbunden sind, alle PMOS-Transistoren sind; jedoch können auch andere Halb­ leitervorrichtungen, deren Kanalströme durch Isoliergates gesteuert werden können, für den gleichen Zweck verwendet werden.

In Fig. 4 wird gezeigt, wie der erfindungsgemäße rück­ wärtige Vorspannungssensor 40 der Fig. 3 in dem rückwärtigen Vorspannungsgenerator der Fig. 6 verwendet wird. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist die rückwärtige Vorspannung VBB ge­ meinsam an den Ausgang des Pumpschaltkreises 300 und das Gate des PMOS-Transistors 50 in dem rückwärtigen Vorspan­ nungssensor 40 angelegt. Der Sensorknoten 49 des rückwärti­ gen Vorspannungssensors 40 ist über den Verzögerungsschalt­ kreis 51 mit einem Eingangsanschluß eines Eingangs-NAND-Gat­ ters 61 im Oszillator 100 verbunden. Es ist sofort klar, daß der Oszillator 100 in Abhängigkeit von dem logischen Wert am Eingangsanschluß des NAND-Gatters 61, mit dem der Sensorkno­ ten 49 verbunden ist, freigegeben oder gesperrt wird. Der Oszillator 100 ist ein bekannter Schaltkreis, in dem die Ausgänge 101 und 102 der Inverter 62 und 63 jeweils über den Treiber 200 an den Pumpschaltkreis 300 angelegt sind. Der Pumpschaltkreis 300 besteht aus PMOS-Kondensatoren und PMOS- Transistoren, so daß verständlich ist, daß die rückwärtige Vorspannung VBB gepumpt wird, wenn die Pumptaktsignale der Pumpsignalleitungen 301-304 logisch niedrig sind, um den Ab­ solutwert der rückwärtigen Vorspannung VBB zu erhöhen. Es sollte klar sein, daß in Fig. 4 der Oszillator 100, der Treiber 200 und der Pumpschaltkreis 300 außer dem rückwärti­ gen Vorspannungssensor 40 wohlbekannte herkömmliche Schalt­ kreise sind.

In den Fig. 5A bis 5F wird der Betrieb des erfin­ dungsgemäßen rückwärtigen Vorspannungssensors und des rück­ wärtigen Vorspannungsgenerators erläutert. Es sind jeweils dargestellt die rückwärtige Vorspannung VBB (Fig. 5A), der Sensorstrom I50 (Fig. 5B), der von dem rückwärtigen Vorspan­ nungssensor über den PMOS-Transistor 50 zum Erdpotential Vss fließt, die Spannung V40 (Fig. 5C) am Sensorknoten 49, die entsprechend dem Sensorstrom I50 variiert, die Ausgangsspan­ nung V52 (Fig. 5D) des Verzögerungsschaltkreises 51, die Ausgangsspannungen V101 und V102 (Fig. 5E) auf den Leitungen 101 und 102 des Oszillators 100 und die Spannungscharakteri­ stikkurven (Fig. 5F) für V49 und Va.

Wie insbesondere in Fig. 5F zu sehen ist, stellen die Kurven Va und V49 die Spannungscharakteristiken am Knoten "a" des Verzögerungsschaltkreises 51 und am Ausgangsknoten 49 dar. Wenn man dies im Vergleich mit Fig. 8F betrachtet, stellt man fest, daß die Responsecharakteristiken entschei­ dend verbessert sind und daß dies aus der Vereinfachung der Treiberstufe des rückwärtigen Vorspannungssensors resul­ tiert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5A-5F wird der Betrieb des rückwärtigen Vorspannungssensors nach der vor­ liegenden Erfindung beispielhaft beschrieben.

Als erstes sollte festgestellt werden, daß hiernach der Einfachheit halber und nur als Beispiel der rückwärtige Vor­ spannungssensor 40 der Fig. 3 für den rückwärtigen Vorspan­ nungsgenerator der Fig. 6 verwendet wird; jedoch kann für den Fall, daß der rückwärtige Vorspannungssensor 30 der Fig. 1 und 2 verwendet wird, der Betrieb auf die gleiche Weise betrachtet werden.

In Fig. 5A besitzt bis zu einem Zeitpunkt T11 die rück­ wärtige Vorspannung VBB (hiernach wird auf deren Absolutwert Bezug genommen) einen höheren Spannungspegel als der Span­ nungspegel VBBD, bei dem der Oszillator 100 freigegeben wird, so daß der rückwärtige Vorspannungsgenerator ausge­ schaltet ist. In der Zwischenzeit, wenn die rückwärtige Vor­ spannung VBB, die an das Gate des PMOS-Transistors 50 ange­ legt wird, erniedrigt wird, wird der PMOS-Transistor 50 schrittweise nicht leitend. Schließlich, wenn die rückwär­ tige Vorspannung VBB beim Durchgang durch den Zeitpunkt T11 niedriger als die Spannung VBBD wird, nimmt der Sensorstrom I50 ab.

Vom Zeitpunkt T11 an nimmt die Spannung V49 am Sensor­ knoten 49 schrittweise zu (siehe Fig. 5C), wenn der Sensor­ strom I50 abnimmt. Die angestiegene Spannung V49 am Sensor­ knoten 49 wird an den Verzögerungsschaltkreis 51 angelegt, und dann versorgt in einem kurzen Zeitabstand, also zum Zeitpunkt T12, der Verzögerungsschaltkreis 51 den Oszillator 100 mit der logisch hohen Spannung V52 (Fig. 5D). Da die au­ genblickliche rückwärtige Vorspannung VBB im Zustand der Ab­ nahme ist, muß sie auf einen erwünschten, normalen Span­ nungspegel gepumpt werden.

Was den Oszillator 100 angeht, wird dieser in Abhängig­ keit von der logisch hohen Spannung V52, die an einen Ein­ gangsanschluß des NAND-Gatters 61 angelegt wird, freigege­ ben. Während der Oszillator 100 freigegeben ist (wenn also die Spannung V52 auf dem logisch hohen Pegel ist), werden die Ringsignale, wie in Fig. 5E gezeigt, an den Invertern 62 und 63 erzeugt. Außerdem arbeitet im gleichen Zeitintervall (also von T12 bis T13) der Pumpenschaltkreis 300 so, daß er die rückwärtige Vorspannung auf den erwünschten, normalen Pegel bringt.

In dem Zeitraum, während dessen die rückwärtige Vorspan­ nung zu einem normalen Pegel zurückkehrt, nimmt, wenn die rückwärtige Vorspannung VBB größer als VBBD wird, der Sen­ sorstrom I50 augenblicklich wieder zu, und gleichzeitig wird die Sensorspannung V49 verringert; daher erkennt der Oszil­ lator 100, daß kein Pumpvorgang mehr nötig ist, und wird zum Zeitpunkt T13 gesperrt. Natürlich kann zu diesem Zeitpunkt, da der Ausgang des Treibers 200 und der Ausgang des Oszilla­ tors 100 alle logisch niedrig sind, der Pumpschaltkreis 300 keinen Pumpvorgang durchführen.

Demzufolge wird, vorausgesetzt, daß der Sensorstrom I50 nach dem Zeitpunkt T13 nicht aufgrund der durch den Löcher­ strom im Substrat verursachten Verschlechterung der rückwär­ tigen Vorspannung in den Erdanschluß fließt, die rückwärtige Vorspannung den Stromwert halten. Wie aus dem Vorstehenden erkennbar ist, kann die rückwärtige Vorspannung in der vor­ liegenden Erfindung nur durch eine Degradation durch die Substratcharakteristik, also durch den Löcherstrom, abneh­ men; daher kann es möglich sein, daß, wenn die rückwärtige Vorspannung aus welchen Gründen auch immer reduziert wird, der Oszillator zur Anhebung der rückwärtigen Vorspannung auf den gewünschten, normalen Pegel arbeitet. Jedoch wird in dem herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensor die rückwär­ tige Vorspannung direkt aufgrund des Sensorstromes zum Mes­ sen der rückwärtigen Vorspannung verschlechtert. Daher ist aus der vorstehenden Beschreibung klar, daß die Beziehungen zwischen dem Sensorstrom und der rückwärtigen Vorspannung in der vorliegenden Erfindung von denen im Stand der Technik stark verschieden sind.

In dem obenstehenden Ausführungsbeispiel wird ein PMOS- Transistor als Sensortransistor, der durch die rückwärtige Vorspannung gesteuert wird, verwendet. Jedoch ist für den Fachmann klar, daß auch andere Arten von Isoliergate-MOS- Transistoren oder Halbleitervorrichtungen mit einem speziel­ len Betriebspegel verwendet werden können. Darüberhinaus kann, auch wenn die Erfindung für die negative rückwärtige Vorspannung erklärt wurde, auch eine positive rückwärtige Vorspannung verwendet werden. In diesem Fall müssen die PMOS-Transistoren 13, 34 und 50 der Fig. 1-4 durch Iso­ liergate-MOS-Transistoren mit einer positiven Schwellspan­ nung ersetzt werden, und der Pumpschaltkreis 300 in Fig. 4 sollte aus NMOS-Transistoren und NMOS-Kondensatoren beste­ hen.

Auch wenn die obigen Ausführungsbeispiele die rückwär­ tige Vorspannung direkt an das Gate des PMOS-Transistors 50 anlegen, wird ein Fachmann erkennen, daß Detailmodifikatio­ nen durchgeführt werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich kann die Versorgungs­ spannung entweder eine externe Versorgungsspannung oder eine interne Versorgungsspannung sein, die auf einen niedrigeren Wert als die externe Versorgungsspannung umgewandelt wird. Dies hängt von der Betriebsspannung ab, die für die Halblei­ tervorrichtung mit dem obigen rückwärtigen Vorspannungssen­ sorschaltkreis verwendet wird.

Wie aus dem vorstehenden ersichtlich, steuert der rück­ wärtige Vorspannungsgenerator nach der vorliegenden Erfin­ dung den Sensorstrom in Abhängigkeit von dem rückwärtigen Vorspannungspegel und besitzt einen Sensorstrompfad, der nicht direkt mit dem rückwärtigen Vorspannungsanschluß ver­ bunden ist, wodurch die Verschlechterung der rückwärtigen Vorspannung durch den Sensorstrom verringert wird.

Darüberhinaus verhindert der rückwärtige Vorspannungsge­ nerator nach der vorliegenden Erfindung das exzessiv häufige Pumpen, woraus ein niedriger Stromverbrauch resultiert. Schließlich verringert die erfindungsgemäße Vorrichtung die Anzahl der Spitzenspannungen am rückwärtigen Vorspannungsan­ schluß, wobei die Spitzenspannung während des Übergangs der rückwärtigen Spannung von der verschlechterten Spannung zur normalen Spannung induziert wird, so daß die Rauschanteile aufgrund der Spannungsspitzen reduziert werden können. Zu­ sätzlich ist der erfindungsgemäße rückwärtige Vorspannungs­ sensor so einfach in der Struktur, daß die Responsecharakte­ ristiken eindeutig verbessert sind.

Claims (20)

1. Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärtigen Vor­ spannungspegels in einem rückwärtigen Vorspannungsgenerator mit einem Pumpschaltkreis (300), dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen Regelungsanschluß (VBB), der mit der rückwärtigen Vorspannung verbunden ist;
einen Sensoranschluß (49), der mit dem Pumpschaltkreis (300) über eine Treibervorrichtung zum Betreiben des Pump­ schaltkreises verbunden ist; und
einen elektrischen Kanal zum elektrischen Verbinden des Sensoranschlusses (49) mit einem Erdpotentialbezugsspan­ nungsanschluß (Vss) in Abhängigkeit von dem Wert der rück­ wärtigen Vorspannung, wobei der Kanal durch ein Isolierele­ ment elektrisch von dem Regelungsanschluß (VBB) isoliert ist.

2. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensoranschluß (49) mit einem Ende des Kanals eines Isoliergate-MOS-Transistors (50) verbunden ist, der in Ab­ hängigkeit von der rückwärtigen Vorspannung regelbar ist.

3. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibervorrichtung zum Antreiben des Pumpschaltkrei­ ses (300) umfaßt:
eine Oszillatorvorrichtung (100), der auf den Spannungs­ pegel an dem Sensoranschluß (49) reagiert; und
einen Treiber (200), der mit der Oszillatorvorrichtung verbunden ist, um den Ausgang der Oszillatorvorrichtung (100) zum Pumpschaltkreis (300) zu übertragen.

4. Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal leitfähig ist, wenn der Regelungsanschluß (VBB) auf einem ersten Spannungswert liegt, und nicht leit­ fähig ist, wenn der Regelungsanschluß auf einem zweiten Spannungswert liegt.

5. Schaltkreis nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibervorrichtung nur arbeitet, wenn der Regelungs­ anschluß auf dem zweiten Spannungswert liegt.

6. Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärtigen Vor­ spannungspegels in einem rückwärtigen Vorspannungsgenerator mit einem Pumpschaltkreis (300) zum Erzeugen der rückwärti­ gen Vorspannung mit einem gegebenen Wert in einem Substrat eines ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer Oszillatorvor­ richtung (100) zum Bereitstellen von Pumptaktimpulsen für den Pumpschaltkreis (300), dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen ersten MOS-Transistor (50), dessen Gate mit dem Ausgang des Pumpschaltkreises (300) verbunden ist, von dem ein Kanalende mit der Erdpotentialspannung (Vss) verbunden ist und von dem das andere Kanalende mit dem Eingangsan­ schluß der Oszillatorvorrichtung (100) verbunden ist; und
einen zweiten MOS-Transistor (48), dessen Gate eine kon­ stante Vorspannung erhält und von dem ein Kanalende mit der Versorgungsspannung und von dem das andere Kanalende mit dem Kanal des ersten MOS-Transistors (50) verbunden ist.

7. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite MOS-Transistor (48) eine niedrigere Schwell­ spannung als die konstante Vorspannung besitzt.

8. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung entweder eine extern angelegte Versorgungsspannung oder eine intern bereitgestellte Versor­ gungsspannung ist, die von der extern bereitgestellten Ver­ sorgungsspannung auf einen niedrigeren Wert als die extern bereitgestellte Versorgungsspannung umgewandelt wird.

9. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorvorrichtung (100) nur eingeschaltet wird, wenn eine Spannung an dem Verbindungsknoten des ersten und zweiten MOS-Transistors durch den Kanal des ersten MOS-Tran­ sistors (50) entladen wird.

10. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Verzögerungsschaltkreis umfaßt, der zwischen dem Verbindungsknoten und dem Eingang der Oszilla­ torvorrichtung (100) angeschlossen ist.

11. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorspannungsgenerator außerdem umfaßt:
einen dritten PMOS-Transistor (41), dessen Gate und von dem ein Kanalende miteinander verbunden sind und von dem das andere Kanalende mit der Versorgungsspannung verbunden ist; einen vierten PMOS-Transistor (44), dessen Gate und von dem ein Kanalende miteinander verbunden sind und von dem das andere Kanalende mit dem Kanal des dritten PMOS-Transistors (41) verbunden ist;
einen fünften PMOS-Transistor (46), dessen Gate und von dem ein Kanalende miteinander verbunden sind und von dem das andere Kanalende mit dem Kanal des vierten PMOS-Transistors (44) verbunden ist; und
einen Vorspannungserzeugungsanschluß (45), der an der Verbindung des vierten und fünften PMOS-Transistors (44, 46) gebildet ist, zum Erzeugen der an das Gate des zweiten PMOS- Transistors (48) anzulegenden Vorspannung.

12. Schaltkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorspannung Vcc/3 beträgt, wobei Vcc die Ver­ sorgungsspannung ist.

13. Schaltkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung von einem Zellplattenspannungsgenerator erzeugt wird.

14. Schaltkreis nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorspannung Vcc/2 beträgt, wobei Vcc die Ver­ sorgungsspannung ist.

15. Schaltkreis zum Feststellen eines rückwärtigen Vor­ spannungspegels in einem rückwärtigen Vorspannungsgenerator mit einem Pumpschaltkreis (300) zum Erzeugen der rückwärti­ gen Vorspannung in einem Substrat und mit einer Oszillator­ vorrichtung (100) zum Bereitstellen von Pumptaktimpulsen für den Pumpschaltkreis (300), dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:
einen Knoten (32) zum Feststellen des Wertes der rück­ wärtigen Vorspannung;
eine erste statische Widerstandsvorrichtung (31), die zwischen dem Knoten (32) und einem Stromversorgungsanschluß anschlossen ist;
eine zweite statische Widerstandsvorrichtung (33), von der ein Ende mit dem Knoten (32) verbunden ist; und
eine dynamische Widerstandsvorrichtung (34), die zwi­ schen einem weiteren Ende der zweiten statischen Wider­ standsvorrichtung (33) und dem Erdbezugsanschluß angeschlos­ sen ist, wobei ein Regelungsanschluß der dynamischen Wider­ standsvorrichtung (34) mit dem Ausgang des Pumpschaltkreises (300) verbunden ist.

16. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß der Spannungspegel an dem Knoten (32) von der er­ sten statischen Widerstandsvorrichtung (31) abhängt, wenn der Regelungsanschluß in einem ersten Zustand ist, wobei der Spannungspegel an dem Knoten (32) von der zweiten statischen Widerstandsvorrichtung (33) und der dynamischen Widerstands­ vorrichtung (34) abhängt, wenn der Regelungsanschluß in ei­ nem zweiten Zustand ist.

17. Schaltkreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die dynamische Widerstandsvorrichtung (34) nur im zweiten Zustand leitend ist.

18. Schaltkreis nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oszillatorvorrichtung (100) nur während des er­ sten Zustandes eingeschaltet ist.

19. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die erste statische Widerstandsvorrichtung (31) ein PMOS-Transistor ist, dessen Gate mit dem Erdpotentialbezugs­ spannungsanschluß verbunden ist.

20. Schaltkreis nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die zweite statische Widerstandsvorrichtung (33) ein NMOS-Transistor ist, dessen Gate mit der Versorgungs­ spannung verbunden ist.