DE4135148C2

DE4135148C2 - Substratvorspannungsgenerator mit Spannungsstabilisierung

Info

Publication number: DE4135148C2
Application number: DE4135148A
Authority: DE
Inventors: Young-Taek Lee; Kyoung-Ho Kim; Jin-Man Han; Hong-Seon Hwang
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-06-17
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1995-02-02
Anticipated expiration: 2011-10-25
Also published as: NL9101710A; DE4135148A1; ITMI912939A0; ITMI912939A1; FR2677771A1; CN1067773A; GB2256950A; IT1251721B; JPH04368691A; GB9124294D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Substratvorspannungsgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Im allgemeinen wird das Substrat einer Halbleiterspeichervorrichtung mit einer negativen Vorspannung eines vorgegebenen Wertes versehen, um der Schwellspannung eines in der Speichervorrichtung eingebauten MOS-Transistors zu ermöglichen, stabil zu sein, um parasitäre Transistoreffekte zu verhindern und eine Fehlfunktion der Vorrichtung aufgrund einer falschen Reaktion auf ein externes Signal zu verhindern. Zum Beispiel muß in dem Fall, in dem eine DRAM- Zelle einen NMOS-Transistor und einen Kondensator aus leitendem n-Typ Polysilizium (oder einen Kondensator mit einem leitenden n-Typ Diffusionsbereich) als Speicherzelle besitzt, eine Spannung von -2 bis -2,5 V an das Substrat (oder die Plattenelektrode des Kondensators) angelegt werden. Diese Spannung wird rückwärtige Spannung oder Substratspannung genannt. Im allgemeinen besitzt ein Schaltkreis zum Erzeugen der rückwärtigen Vorspannung (hiernach kurz Vorspannungsgenerator bezeichnet) einen Ladungspumpschaltkreis, um die rückwärtige Vorspannung auf einer konstanten negativen Spannung eines vorgegebenen Werts zu halten, einen Oszillator zum Antreiben des Pumpschaltkreises und einen Pegeldetektor zum Feststellen des augenblicklichen rückwärtigen Vorspannungswertes und zum Regeln des Oszillators in Abhängigkeit von dem erfaßten Signal.

In Fig. 6 ist ein solcher herkömmlicher Vorspannungsgenerator schematisch gezeigt, wobei ein Oszillator 100 aus einer Inverterkette besteht und ein Pumpschaltkreis 300 einen Kondensator zum Erzeugen der rückwärtigen Vorspannung VBB in Abhängigkeit von einem Pumpsignal, der an diesen von dem Oszillator 100 über einen Treiber 200 angelegt wird, umfaßt. Außerdem wird die Substrat-Vorspannung VBB über den Pegeldetektor 400 an den Oszillator 100 zurückgeführt. Der Pegeldetektor 400 ändert das Ausgangssignal des Oszillators 100 in Abhängigkeit von einem Sensorsignal des Wertes der augenblicklichen rückwärtigen Vorspannung VBB. Insbesondere, wenn der augenblickliche Wert der Substratvorspannung kleiner als ein gewünschter Wert ist (in diesem Falle muß der rückwärtige Vorspannungspegel erhöht werden), meldet der Pegeldetektor 400 diese Tatsache an den Oszillator 100: also erzeugt der Oszillator 100 ein Regelungssignal (oder einen Pumptakt) zum Einschalten des Aufladungskreises 300 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Substratvorspannungssensors 400. Als Ergebnis arbeitet der Pumpschaltkreis 300, wodurch die niedrige Substratvorspannung VBB auf den gewünschten Spannungswert erhöht wird.

Es sollte festgestellt werden, daß der Einfachheit halber der Begriff Substratvorspannung sich auf den Absolutwert bezieht. Wenn im Gegensatz dazu die augenblickliche Vorspannung VBB höher als ein gewünschter Wert ist (in diesem Fall muß die rückwärtige Vorspannung erniedrigt werden), erzeugt der Oszillator 100 in Abhängigkeit von dem Sensorsignal des Vorspannungssensors 400 ein Regelungssignal, um den Pumpschaltkreis 300 daran zu hindern, weiter zu arbeiten.

Es wird gefordert, daß der Vorspannungssensor die Substratvorspannung feststellt, ohne dabei den Vorspannungswert selbst zu beeinflussen. Ein Beispiel eines herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors verwendet einen Spannungsteiler aus Widerständen oder Widerstandselementen. Eine solche Vorrichtung ist z. B. in der US 44 71 290 beschrieben. Dort umfaßt der Vorspannungssensor einen Spannungsteiler aus Reihenwiderständen R1, R2, die zwischen der Vorspannung und Erde geschaltet sind. Ein Verbindungsknoten dieser Serienwiderstände ist mit dem Eingang eines Pegelsensors verbunden.

Demzufolge besitzt der Verbindungsknoten des Spannungsteilers immer den 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 zurück. Jedoch entsteht dabei stets ein Stromfluß über die Reihenwiderstände R1 und R2 zwischen dem rückwärtigen Vorspannungsanschluß und dem Erdpotentialanschluß, was also nicht nur durch die Löcherleitung im Halbleitersubstrat, sondern auch durch den Stromfluß durch die Reihenwiderstände (also durch den Stromfluß von dem Erdpotentialanschluß zum rückwärtigen Vorspannungsanschluß) zu einer Destabilisierung der Substratvorspannung führt.

Ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors ist in Fig. 7 gezeigt. Dieser Schaltkreis verwendet die Gleichrichtereigenschaften eines als Diode geschalteten MOS-Transistors. Wie gezeigt, sind ein PMOS-Transistor 21 und ein NMOS-Transistor 23 immer eingeschaltet, und die Spannung eines Verbindungsknotens 22 wird durch die Spannungsteilervorrichtung bestimmt, die aus den MOS-Transistoren 21, 23 und 24 besteht. Der Verbindungsknoten 22 der in Reihe geschalteten MOS-Transistoren 21 und 23, die mit der Versorgungsspannung Vcc verbunden sind, ist mit dem Oszillator der Fig. 6 über einen Verzögerungsschaltkreis 26 verbunden. Der PMOS-Transistor 24 ist zwischen dem NMOS- Transistor 23 und der Vorspannung VBB angeschlossen, wobei ein Ende des Kanals und das Gate des PMOS- Transistors 24 gemeinsam mit der Vorspannung verbunden sind und das andere Ende des Kanals mit dem Kanal des NMOS-Transistors 23 verbunden ist. Die Spannung am Verbindungsknoten 22 wird über den Verzögerungsschaltkreis 26 an den Oszillator 100 angelegt und dann darüber hinaus vorher durch Auswahl der Geometrie 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 Vorspannungssensors beschrieben. In den Zeichnungen sind die Vorspannung VBB, der Durchgangsstrom Ix von der Versorgungsspannung Vcc zum 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 Spannungssensors dargestellt. Es wird festgestellt, daß der Durchlaßstrom Ix proportional zur Vorspannung VBB ist. Wie in Fig. 8A ersichtlich, ist bis zur Zeit t1 der Spannungswert VBB ein niedrigerer negativer Wert (also ein höherer Absolutwert) als der Spannungswert VBBD; daher ist der Durchlaßstrom Ix auch größer als der zum Zeitpunkt t1. Das kommt daher, daß der Durchlaßstrom Ix in den rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB fließt und daher der Vorspannungspegel in unerwünschter Weise aufgrund des Durchlaßstromes Ix (und des Löcherstromes des Substrats) zunimmt. Dieses Phänomen führt zur Verschlechterung bzw. Destabilisierung der Vorspannung.

In der Zwischenzeit werden zum Zeitpunkt t1 die Spannungen VBB und VBBD identisch, und daher besitzt die Spannung VBB schrittweise einen niedrigeren Absolutwert als VBBD. Daher nimmt der Durchlaßstrom Ix ab und der Spannungspegel am Verbindungsknoten 22 nimmt zu. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der in den rückwärtigen Vorspannungsanschluß VBB fließende Durchlaßstrom Ix ab. Daher nimmt die Spannung V22 am Verbindungsknoten 22 zu, wodurch der Spannungsausgang V28 des Verzögerungsschaltkreises 26 auf einen logisch hohen Pegel geändert wird, der an den Oszillator 100 angelegt wird (siehe Fig. 8C und 8D). Somit wird der Oszillator 100 freigegeben und erzeugt demzufolge Pumptaktimpulse, wie in Fig. 8E gezeigt, die an den Pumpschaltkreis bzw. Aufladungskreis 300 angelegt werden, so daß der Pumpschaltkreis 300 zum Zeitpunkt t2 die Pumpoperation für die Vorspannung durchführt. Bei Durchführung des Spannungspumpvorgangs nimmt, wenn zum Zeitpunkt t3 die Spannung VBB die Spannung VBBD erreicht, die Spannung 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 Vorspannungsanschluß VBB fließt, wenn der Pumpvorgang zum Zeitpunkt t4 anhält, nimmt der Absolutwert der rückwärtigen Vorspannung erneut ab. In der Zwischenzeit wird zum Zeitpunkt t5 die Vorspannung VBB niedriger als die Spannung VBBD, und der vorstehende Vorgang wird wiederholt.

Im folgenden wird auf Fig. 8F Bezug genommen, um die konkreten Betriebskurven des rückwärtigen Vorspannungssensors 4 der Fig. 7 zu zeigen. In der Zeichnung stellen die Kurven V22, V27 und V29 die Spannungen an den Verbindungsknoten 22, 27 und 29 dar. Da das Gate des PMOS-Transistors 21 des rückwärtigen Vorspannungssensors 4 mit dem Erdpotential Vss beaufschlagt ist, besitzt die Gate-Source-Spannung Vgs einen konstanten Spannungswert, der von der Versorgungsspannung Vcc unabhängig ist. Daher wird die Spannung am Ausgangsknoten 22 stark entsprechend der Änderung der Versorgungsspannung beeinflußt, wie in Fig. 8F gezeigt. Zusätzlich dauert es für den Durchlaßstrom Ix relativ lange, die beiden MOS-Transistoren 23 und 24 zu durchfließen, so daß der Vorspannungssensor eine langsame Ansprechzeitcharakteristik besitzt.

Wie oben beschrieben, ist der herkömmliche Vorspannungssensor gemäß Fig. 7 so ausgeführt, daß der Vorspannungsanschluß unter dem Einfluß des Durchlaßstromes Ix zum Feststellen der Vorspannung steht, wodurch es zum Herabsetzen der Vorspannung kommt, die hauptsächlich durch den Durchlaßstrom (zum Feststellen des rückwärtigen Vorspannungspegels) und durch den Löcherstrom des Substrats verursacht werden. Im Ergebnis ist es daher unvermeidlich, den Oszillator 100 und den Pumpschaltkreis 300 in dem herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungsgenerator oft an- und auszuschalten, so daß dessen Zuverlässigkeit (insbesondere die des Vorspannungssensors) leiden kann und der Gesamtstromverbrauch des Vorspannungsgenerators hoch ist. Darüber hinaus 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 Vorspannungsanschluß VBB erzeugt. Wenn dieser Spitzenstrom aufgrund der sehr häufigen Pumpvorgänge oft erzeugt wird, kann die Vorrichtung eine Fehlfunktion oder einen Defekt erleiden, und im schlimmsten Fall kann ein dielektrischer Durchbruch der Gateoxidschicht des PMOS-Transistors 24 auftreten. In beiden Fällen, dem des genannten US-Patents und gemäß Fig. 7, können sie dieselbe ungünstige Situation, wie oben beschrieben, verursachen aufgrund der Tatsache, daß die Vorspannung unter dem direkten Einfluß ihres Sensorstromes steht. Da insbesondere im Falle der Schaltung gemäß Fig. 7, die an das Gate des Last-PMOS-Transistors 21 angelegte Spannung unabhängig von der Versorgungsspannung ist, wird dieser rückwärtige Vorspannungssensor beträchtlich durch die Änderung der Versorgungsspannung beeinflußt. Es ist dem Fachmann weiterhin klar, daß jeder herkömmliche Vorspannungsgenerator, der den oben beschriebenen rückwärtigen Vorspannungssensor bzw. Pegeldetektor verwendet, dieselben Probleme besitzen wird.

So weist ein aus der DE-OS 29 33 518 bekannter Substratvorspannungsgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art im Pegeldetektor eine Bezugsspannungsquelle auf, deren konstante Bezugsspannung mit dem Schwellenpegel des Feldeffekttransistors indirekt verglichen wird, der seinerseits auf dem Substrat angeordnet ist und damit seinen Schwellenpegel nach Maßgabe der jeweiligen Substratvorspannung ändert.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vorspannungsgenerator der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art so weiterzubilden, daß die Substratvorspannung ohne Rückwirkung auf diese selbst erfaßt wird und dadurch Instabilitäten vermieden werden und der Stromverbrauch sinkt.

Bei einem Substratvorspannungsgenerator der genannten Art ist diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch diese besondere Art der Verbindung eines zweiten Feldeffekttransistors mit dem ersten Feldeffekttransistor, der an seinem Gate mit der jeweils erfaßten Substratvorspannung angesteuert wird, ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau des Pegeldetektors und damit auch des gesamten Substratvorspannungsgenerators, wodurch die jeweils erfaßte Substratvorspannung durch den Erfassungsvorgang selbst nicht beeinflußt wird, ein niedriger Stromverbrauch des gesamten Vorspannungsgenerators erreicht und eine hohe Ansprechempfindlichkeit gewährleistet wird.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand von in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Vorspannungssensors oder Pegeldetektors gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Vorspannungssensors gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Vorspannungssensors gemäß der Erfindung,

Fig. 4 die Verwendung des erfindungsgemäßen rückwärtigen Vorspannungssensors bzw. Pegeldetektors in dem Vorspannungsgenerator gemäß Fig. 6, die

Fig. 5A bis 5F Arbeitskurven des erfindungsgemäßen Vorspannungssensors,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Form eines Vorspannungsgenerators,

Fig. 7 ein Schaltkreisdiagramm eines herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors und die

Fig. 8A bis 8F Arbeitskurven des herkömmlichen rückwärtigen Vorspannungssensors gemäß Fig. 7.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besitzt ein Ausführungsbeispiel des rückwärtigen Vorspannungssensors einen PMOS-Transistor 31, einen NMOS-Transistor 33 und einen Verzögerungsschaltkreis 36, die auf dieselbe Weise wie in herkömmlichen Anordnungen 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 Vorspannung VBB verbunden ist. Der Spannungspegel am Verbindungsknoten 32 der in Reihe geschalteten MOS-Transistoren 31 und 33 hängt dabei von dem Betriebszustand des PMOS-Transistors 34 ab.

Im folgenden wird nun Bezug genommen auf die Fig. 2, die ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt. Wie gezeigt, ist das Gate des Last-PMOS-Transistors 11 mit einer Akkuplattenspannung 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 verbunden. Weiterhin ist das Gate des Treiber-PMOS-Transistors 13 mit der Vorspannung VBB verbunden, wobei ein Ende des Kanals mit dem Erdpotential und das andere Kanalende 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 Ansprechcharakteristik verglichen mit den Schaltkreisen der Fig. 7 und 1 besitzt. Aus dem Vorstehenden ist klar, daß in diesem Fall der Strom nicht von dem Versorgungsspannungsanschluß 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, abrupte Änderungen des Durchlaßstromes Ix aufgrund von Versorgungsspannungsänderungen zu verhindern. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, daß die Akkuplattenspannung Vp eine Spannung ist, die von einem Akkuplattenspannungsgenerator (nicht gezeigt) erzeugt wird und im allgemeinen Vcc/2 beträgt.

In Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des 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 Vorspannungsknoten 45 einen Vorspannungsschaltkreis, und die Spannung am Vorspannungsknoten 45 beträgt 1/3 Vcc, vorausgesetzt, daß alle PMOS-Transistoren von derselben Größe bzw. Geometrie sind. Der Vorspannungsknoten 45 ist mit dem Gate eines PMOS-Transistors 48 verbunden, dessen Kanal zwischen der Versorgungsspannung Vcc und einem Sensorknoten 49 angeschlossen ist. Das Gate des PMOS-Transistors 48 wird von dem Vorspannungsknoten 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 Vorspannung VBB beaufschlagt ist, ist zwischen dem Sensorknoten 49 und dem Erdpotential Vss angeschlossen. Ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2, hängt der Spannungspegel des Sensorknotens 49 von dem Betriebszustand des PMOS-Transistors 50 ab.

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

In Fig. 4 ist gezeigt, wie der Vorspannungssensor 40 gemäß Fig. 3 in dem rückwärtigen Vorspannungsgenerator gemäß Fig. 6 verwendet wird. Wie in der Zeichnung gezeigt, ist die Vorspannung VBB gemeinsam an den Ausgang des Pumpschaltkreises bzw. Aufladungskreises 300 und das Gate des PMOS-Transistors 50 in dem Vorspannungssensor bzw. Pegeldetektor 40 angelegt. Der Sensorknoten 49 des Vorspannungssensors 40 ist über den Verzögerungsschaltkreis 51 mit einem Eingangsanschluß eines Eingangs-NAND-Gatters 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 Sensorknoten 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 Vorspannung VBB erzeugt wird, wenn die Pumptaktsignale der Pumpsignalleitungen 301-304 logisch niedrig sind, um den Absolutwert der Vorspannung VBB zu erhöhen. Es ist klar, daß in Fig. 4 der Oszillator 100, der Treiber 200 und der Pumpschaltkreis 300 im Gegensatz zum Vorspannungssensor 40 bekannte herkömmliche Schaltkreise sind.

In den Fig. 5A bis 5F wird der Betrieb des Vorspannungssensors und des rückwärtigen Vorspannungsgenerators erläutert. Es sind jeweils dargestellt die Vorspannung VBB (Fig. 5A), der Sensorstrom I50 (Fig. 5B), der von dem Vorspannungssensor über den PMOS-Transistor 50 zum Erdpotential Vss fließt, die Spannung V49 (Fig. 5C) am Sensorknoten 49, die entsprechend dem Sensorstrom I50 variiert, die Ausgangsspannung V52 (Fig. 5D) des Verzögerungsschaltkreises 51, die Ausgangsspannungen V101 und V102 (Fig. 5E) auf den Ausgängen 101 und 102 des Oszillators 100 und die Spannungscharakteristikkurven (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 Ansprechcharakteristiken entscheidend verbessert sind und daß dies aus der Vereinfachung der Treiberstufe des rückwärtigen Vorspannungssensors resultiert.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5A-5F wird der Betrieb des Vorspannungssensors beispielhaft beschrieben.

Als erstes sollte festgestellt werden, daß hiernach der Einfachheit halber beispielhaft der Vorspannungssensor 40 gemäß Fig. 3 als Detektor beim Vorspannungsgenerator gemäß Fig. 6 verwendet wird; jedoch kann für den Fall, daß der Vorspannungssensor 30 der Fig. 1 und 2 verwendet wird, der Betrieb entsprechend betrachtet werden.

In Fig. 5A besitzt bis zu einem Zeitpunkt T11 die Vorspannung VBB (hiernach wird auf deren Absolutwert Bezug genommen) einen höheren Spannungspegel als der Spannungspegel VBBD, bei dem der Oszillator 100 freigegeben wird, so daß der Vorspannungsgenerator ausgeschaltet ist. In der Zwischenzeit, wenn die Vorspannung VBB, die an das Gate des PMOS-Transistors 50 angeschlossen wird, erniedrigt wird, wird der PMOS-Transistor 50 schrittweise nichtleitend. Schließlich, wenn die 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 Sensorknoten 49 schrittweise zu (siehe Fig. 5C), wenn der Sensorstrom I50 abnimmt. Die angestiegene Spannung V49 am Sensorknoten 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 augenblickliche rückwärtige Vorspannung VBB im Zustand der Abnahme ist, muß sie auf den erwünschten Spannungspegel erhöht werden.

Was den Oszillator 100 angeht, wird dieser in Abhängigkeit von der logisch hohen Spannung V52, die an einen Eingangsanschluß des NAND-Gatters 61 angelegt wird, freigegeben. 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 Vorspannung auf den gewünschten, normalen Pegel bringt.

In dem Zeitraum, während dessen die rückwärtige Vorspannung zu einem normalen Pegel zurückkehrt, nimmt, wenn die Vorspannung VBB größer als VBBD wird, der Sensorstrom I50 augenblicklich wieder zu, und gleichzeitig wird die Sensorspannung V49 verringert; daher erkennt der Oszillator 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 Oszillators 100 alle logisch niedrig sind, der Pumpschaltkreis 300 keinen Pumpvorgang durchführen.

Demzufolge wird, weil der Sensorstrom I50 nach dem Zeitpunkt T13 nicht aufgrund der durch den Löcherstrom im Substrat verursachten Verschlechterung der Vorspannung in den Erdanschluß fließt, die Vorspannung ihren Wert behalten. Wie aus dem Vorstehenden erkennbar ist, kann die Vorspannung nur durch eine Abnahme bedingt durch die Substratcharakteristik, also durch den Löcherstrom, abnehmen; daher kann es möglich sein, daß, wenn die rückwärtige Vorspannung reduziert wird, der Oszillator zur Anhebung der Vorspannung auf den gewünschten, normalen Pegel arbeitet. Dagegen wird in dem herkömmlichen Vorspannungssensor die Vorspannung auch aufgrund des Sensorstromes zum Messen der rückwärtigen Vorspannung herabgesetzt.

In dem obenstehenden Ausführungsbeispiel wird ein PMOS- Transistor als Sensortransistor, der durch die Vorspannung angesteuert wird, verwendet. Jedoch ist für den Fachmann klar, daß auch andere Arten von Isoliergate-MOS- Transistoren oder Halbleitervorrichtungen mit entsprechenden Daten verwendet werden können. Darüber hinaus kann, auch wenn die Erfindung für eine negative 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 Isoliergate- MOS-Transistoren mit einer positiven Schwellspannung ersetzt werden, und der Pumpschaltkreis 300 in Fig. 4 sollte aus NMOS-Transistoren und NMOS-Kondensatoren bestehen.

Die Versorgungsspannung kann entweder eine externe Versorgungsspannung oder eine interne Versorgungsspannung sein, die auf einen niedrigeren Wert als die externe Versorgungsspannung umgewandelt ist. Dies hängt von der Betriebsspannung ab, die für die Halbleitervorrichtung mit dem obigen rückwärtigen Vorspannungssensorschaltkreis verwendet wird.

Claims

1. Substratvorspannungsgenerator mit Spannungsstabilisierung und einem Oszillator (100), einem Treiber (200), einem Aufladungsschaltkreis (300) für die Erzeugung der Substratvorspannung (VBB), und einem die jeweilige Substratvorspannung (VBB) erfassenden Pegeldetektor (10; 30; 40), der einen ersten, an seinem Gate mit einer konstanten Bezugsspannung beaufschlagten, Feldeffekttransistor (11; 31; 48) aufweist und die Abgabe des Ausgangssignals des Oszillators (100) an den Treiber (200) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegeldetektor (10; 30; 40) einen zweiten Feldeffekttransistor (13; 34; 50) aufweist, dessen Kanal mit dem Kanal des ersten Feldeffekttransistors (11; 31; 48) über einen Ausgangsknoten (12; 32; 49) in Reihe geschaltet ist und an seinem Gate mit der erfaßten Substratvorspannung (VBB) angesteuert ist und dessen mit dem Ausgangsknoten (12; 32; 49) nicht verbundener Kanalanschluß mit Erde (V_SS) verbunden ist.

2. Substratvorspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegeldetektor (30) einen dritten Feldeffekttransistor (33) umfaßt, über dessen Kanal der zweite Feldeffekttransistor (34) mit dem Ausgangsknoten (32) verbunden ist und dessen Gate mit einem Versorgungsspannungsanschluß (V_CC) verbunden ist, wobei das Gate des ersten Feldeffekttransistors (31) mit Erde (V_SS) als konstante Bezugsspannungsquelle verbunden ist.

3. Substratvorspannungsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der konstanten Bezugsspannung des Pegeldetektors (40) umfaßt:

a) einen Feldeffekttransistor (41), dessen erster Kanalanschluß mit einem Versorgungsspannungsanschluß (V_CC) verbunden ist und dessen Gate und zweiter Kanalanschluß miteinander verbunden sind;
b) einen weiteren Feldeffekttransistor (44), dessen erster Kanalanschluß mit dem Gate des dritten Feldeffekttransistors (41) verbunden ist und dessen Gate und zweiter Kanalanschluß mit dem Gate des ersten Feldeffekttransistors (48) verbunden sind;
c) noch einen Feldeffekttransistor (46), dessen erster Kanalanschluß mit dem Gate des vierten Feldeffekttransistors (44) verbunden ist und dessen Gate und zweiter Kanalanschluß mit Erde (V_SS) verbunden sind.