EP0036494B1 - Integrierte MOS-Halbleiterschaltung - Google Patents

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EP0036494B1
EP0036494B1 EP81101324A EP81101324A EP0036494B1 EP 0036494 B1 EP0036494 B1 EP 0036494B1 EP 81101324 A EP81101324 A EP 81101324A EP 81101324 A EP81101324 A EP 81101324A EP 0036494 B1 EP0036494 B1 EP 0036494B1
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EP
European Patent Office
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voltage
circuit component
substrate bias
digital circuit
pulse generator
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EP81101324A
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EP0036494A2 (de
EP0036494A3 (en
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Kurt Dr. Hoffmann
Dieter Dipl.-Ing. Kantz
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/205—Substrate bias-voltage generators

Definitions

  • the invention relates to an integrated MOS semiconductor circuit with a - z. B. designed as a dynamic memory - digital and provided with a clock circuit part, with a trained as a clocked substrate bias generator further circuit part and with two of the supply voltage supplied by a DC voltage supply leads.
  • an oscillator which is different from the clock generator for the digital circuit part is used for clocking the substrate bias generator and this oscillator is also used to control a circuit part which is designed as a voltage multiplier and which supplies an excessive operating voltage to the digital circuit part compared to the supply voltage at the supply connections it is provided that the output of the voltage multiplier supplying the excessive operating voltage to the digital circuit part is connected to the supply connection carrying the reference potential via a limiter circuit made of MOS transistors, and that, finally, the output of the substrate bias generator supplying the substrate bias voltage is mediated in a manner known per se a converter acting as a comparator to an input used to activate the clock provided for the digital circuit part the same and the resulting control of the activation of this clock generator is designed such that activation of the clock generator and thus of the digital circuit part is only possible when the full substrate bias is reached.
  • the circuit according to the invention is thus designed so that an additional operating potential V z arises due to the voltage multiplier, which is preferably used to apply MOS capacitors, that is to say the said varactor capacitors, which, for. B. are used as storage capacitors.
  • the potential V z can also form the supply potential required to operate the digital circuit part. It can be advantageous if the substrate bias V BB and / or the voltage V z supplied by the voltage multiplier SV is stabilized by a control circuit.
  • a clocked substrate bias generator SE in which an oscillator O is provided as a clock generator, is described in DE-OS 28 12 378.
  • the circuit shown in FIG. 1 of DE-OS 28 12 378 for a substrate bias generator can be used directly.
  • the clock generator TG which is responsible for the digital circuit part ES, is in turn supplied with rectangular pulses via an input TE, which come from an external pulse source. It has the task of deriving the clock signals required for operating the digital circuit part ES from the primary pulses obtained via the input TE.
  • the supply potentials V cc and G ND are provided both for the clock generator TG and for the substrate bias generator SE, which incidentally also applies to a converter U provided between the two circuit parts SE and TG.
  • This converter or converter U is also supplied by the two operating potentials V cc and G ND . It has the task of emitting an activation signal to the clock generator TG as soon as the substrate bias voltage V BB supplied by the substrate bias generator SE is fully built up. It is therefore the purpose of the voltage supplied by the converter U to start the clock generator TG only when the substrate bias voltage V BB has reached its desired value.
  • the converter U thus acts as a comparator and can e.g. B. be given by a differential amplifier. The presence of the converter U prevents the digital circuit part ES (for example a semiconductor memory) from being put into operation before the substrate bias is built up and is damaged by the short-circuit current which then occurs.
  • a clocked voltage doubler SV is described in DE-OS 2811 418.
  • the circuit principle described there can also be used to implement DC voltage multipliers that work with any integer ratio between their input voltage and output voltage.
  • the oscillator provided there can easily be replaced by the clock oscillator 0 provided to supply the substrate bias generator SE.
  • the task of the voltage multiplier SV is, as already explained, to generate an increased operating DC voltage required for the operation of the digital circuit part ES, as it is e.g. B. needed to charge storage capacity.
  • the output of the voltage multiplier SV is connected to the reference potential G ND via a limiter circuit BS. It is also connected directly to a further supply input of the digital circuit part ES and carries the increased additional operating potential V z required for the operation of selected circuit parts (e.g. for charging storage capacitors).
  • the substrate bias V BB which is provided by the substrate bias generator SE, on the other hand, benefits all the circuit parts provided in the semiconductor die.
  • the supply potential V cc is made available to the circuit parts O, SE, U, TG and SV. It also serves as the main operating potential for the digital circuit part ES. The same applies to the reference potential G ND .
  • the limiter circuit BS can, for. B. consist of two or more series-connected MOS field effect transistors t, which are connected by connecting their gates with their drains as resistors. The source of the last of these transistors t is at the reference potential G ND .
  • the number of transistors t in series depends on the number of field-effect transistors connected in series in the voltage multiplication circuit SV with respect to the two operating potentials V CC and G ND .
  • the transistors t can also be connected as diodes in the reverse direction.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine integrierte MOS-Halbleiterschaltung mit einem - z. B. als dynamischer Speicher ausgebildeten - digitalen und mit einem Taktgeber versehenen Schaltungsteil, mit einem als getakteter Substratvorspannungsgenerator ausgebildeten weiteren Schaltungsteil sowie mit zwei die von einer Gleichspannungsquelle gelieferte Versorgungsspannung führenden Versorgungsanschlüssen.
  • Als einschlägiger Stand der Technik kann hier die französische Patentschrift 2 333 296 (vgl. Fig. 3) genannt werden. Bei der dort beschriebenen Ausgestaltung dient zur Taktsteuerung der Substratvorspannungsgenerators ein Oszillator, der die Aufgabe hat, als Taktgeber für die als Speicher ausgebildete Digitalschaltung zu arbeiten. Es wird also auch bei der bekannten Halbleiterschaltung der Tatsache Rechnung getragen, daß bei digitalen Halbleiterschaltungen häufig nicht nur zwei Betriebspotentiale sondern noch ein weiteres Betriebspotential erforderlich ist, das zur Erzeugung einer zwischen der Rückseite des Halbleiterplättchens und den Schaltungsteilen an der Vorderseite desselben liegenden Substratvorspannung gebraucht wird.
  • Jedoch ist in diesem Zusammenhange festzustellen, daß im Interesse der Vermeidung einer Zerstörung der integrierten Halbleiterschaltung der Taktgeber erst nach dem Aufbau der Substratvorspannung VBB eingeschaltet werden sollte, was bei der bekannten Schaltung offensichtlich nicht der Fall ist. Ferner ist man bei vielen Digitalschaltungen, z. B. bei dynamischen Speichern, daran interessiert, daß eine die zwischen den beiden Anschlüssen des Halbleiterkörpers liegende Spannungsdifferenz übertreffende Hilfsspannung Vz zur Verfügung steht, insbesondere dann, wenn die Schaltung mit aufzuladenden Varaktorkondensatoren versehen ist. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine integrierte MOS-Halbleiterschaltung nach der obigen Definition derart auszugestalten, daß den soeben angegeben Gesichtspunkten Rechnung getragen wird.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, daß zur Taktung des Substratvorspannungsgenerators ein vom Taktgeber für den digitalen Schaltungsteil verschiedener Oszillator verwendet ist und dieser Oszillator gleichzeitig zur Steuerung eines als Spannungsvervielfacher ausgebildeten und eine im Vergleich zu der an den Versorgungsanschlüssen liegenden Versorgungsspannung überhöhte Betriebsspannung an den digitalen Schaltungsteil liefernden Schaltungsteils vorgesehen ist, daß dabei der die überhöhte Betriebsspannung an den digitalen Schaltungsteil liefernde Ausgang des Spannungsvervielfachers über eine Begrenzerschaltung aus MOS-Transistoren an den das Bezugspotential führenden Versorgungsanschluß gelegt ist, und daß schließlich in an sich bekannter Weise der die Substratvorspannung liefernde Ausgang des Substratvorspannungsgenerators unter Vermittlung eines als Komparator wirkenden Umformers an einen der Aktivierung des für den digitalen Schaltungsteil vorgesehenen Taktgebers dienenden Eingang desselben gelegt und die hierdurch gegebene Steuerung der Aktivierung dieses Taktgebers derart ausgebildet ist, daß erst mit Erreichung der vollen Substratvorspannung eine Aktivierung des Taktgebers und damit des digitalen Schaltungsteils möglich ist.
  • Die erfindungsgemäße Schaltung ist also so ausgebildet, daß aufgrund des Spannungsvervielfachers ein zusätzliches Betriebspotential Vz entsteht, das vorzugsweise zur Beaufschlagung von MOS-Kondensatoren, also den besagten Varaktorkondensatoren, dient, die z. B. als Speicherkondensatoren eingesetzt sind. Das Potential Vz kann aber auch anstelle von Vcc das zum Betrieb des digitalen Schaltungsteils benötigte Versorgungspotential bilden. Dabei kann vorteilhaft sein, wenn die Substratvorspannung VBB und/oder die vom Spannungsvervielfacher SV gelieferte Spannung Vz durch einen Regelkreis stabilisiert wird.
  • Eine der Erfindung entsprechende Halbleiterschaltung wird nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbilds beschrieben.
  • Die beiden Versorgungsanschlüsse des die Schaltung aufnehmenden Halbleiterplättchens sind mit den Betriebspotentialen Vcc und GND beaufschlagt, die dann den einzelnen Schaltungsteilen in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise zugeführt werden. Als Schaltungsteile sind neben dem digitalen Schaltungsteil ES noch vorgesehen :
    • Ein durch die von den beiden Betriebspotentialen Vcc und GND (= Bezugspotential (Masse)) definierten Betriebsspannung beaufschlagter Oszillator O, der insbesondere als RC-Oszillator ausgebildet ist. Er liefert periodische Rechteckimpulse gleicher Amplitude, die zur Steuerung des Substratvorspannungserzeugers SE und des Spannungsvervielfachers SE (z. B. eines Spannungsverdopplers) dient.
  • Ein getakteter Substratvorspannungserzeuger SE, bei dem ein Oszillator O als Taktgeber vorgesehen ist, ist in der DE-OS 28 12 378 beschrieben. Die in Fig. 1 der DE-OS 28 12 378 dadargestellte Schaltung für einen Substratvorspannungserzeuger kann unmittelbar angewendet werden.
  • Der für den digitalen Schaltungsteil ES zuständige Taktgeber TG wird seinerseits über einen Eingang TE mit Rechteckimpulsen beaufschlagt, die von einer externen Impulsquelle kommen. Er hat die Aufgabe, die zum Betrieb des digitalen Schaltungsteils ES erforderlichen Taktsignale aus den über den Eingang TE erhaltenen Primärimpulsen abzuleiten. Sowohl für den Taktgeber TG als auch für den Substratvorspannungsgenerator SE sind die Versorgungspotentiale Vcc und GND vorgesehen, was übrigens auch für einen zwischen den beiden Schaltungsteilen SE und TG vorgesehenen Umformer U gilt.
  • Dieser Umformer oder Umwandler U wird ebenfalls durch die beiden Betriebspotentiale Vcc und GND versorgt. Er hat die Aufgabe, an den Taktgeber TG ein Aktivierungssignal abzugeben, sobald die vom Substratvorspannungsgenerator SE gelieferte Substratvorspannung VBB voll aufgebaut ist. Somit ist es Zweck der vom Umwandler U gelieferten Spannung, erst dann den Taktgeber TG in Betrieb zu setzen, wenn die Substratvorspannung VBB ihren Sollwert erreicht hat. Der Umwandler U wirkt somit als Komparator und kann z. B. durch einen Differenzverstärker gegeben sein. Durch die Anwesenheit des Umwandlers U wird vermieden, daß der digitale Schaltungsteil ES (z. B. ein Halbleiterspeicher) vor dem Aufbau der Substratvorspannung in Betrieb gesetzt und durch den dann auftretenden Kurzschlußstrom beschädigt wird.
  • Ein getakteter Spannungsverdoppler SV ist in der DE-OS 2811 418 beschrieben. Das dort beschriebene Schaltungsprinzip läßt sich auch zur Realisierung von Gleichspannungsvervielfachern verwenden, die mit einem beliebigen ganzzahligen Verhältnis zwischen ihrer Eingangsspannung und Ausgangsspannung arbeiten. Der dort vorgesehene Oszillator kann ohne weiteres durch den zur Versorgung des Substratvorspannungsgenerators SE vorgesehenen Taktoszillator 0 ersetzt werden. Aufgabe des Spannungsvervielfachers SV ist es, wie bereits dargelegt, eine zum Betrieb des digitalen Schaltungsteils ES benötigte erhöhte Betriebsgleichspannung zu erzeugen, wie sie z. B. zum Aufladen von Speicherkapazitäten benötigt wird.
  • Der Ausgang des Spannungsvervielfachers SV ist über eine Begrenzerschaltung BS an das Bezugspotential GND gelegt. Er ist außerdem unmittelbar an einen weiteren Versorgungseingang des digitalen Schaltungsteils ES geschaltet und führt das zum Betrieb auserwählter Schaltungsteile (z. B. zum Aufladen von Speicherkondensatoren) benötigte erhöhte zusätzliche Betriebspotential Vz.
  • Die Substratvorspannung VBB, die vom Substratvorspannungsgenerator SE zur Verfügung gestellt wird, kommt hingegen allen im Halbleiterplättchen vorgesehenen Schaltungsteilen zugute. Das Versorgungspotential Vcc ist, wie bereits festgestellt, den Schaltungsteilen O, SE, U, TG und SV zur Verfügung gestellt. Es dient außerdem als Hauptbetriebspotential für den digitalen Schaltungsteil ES. Dasselbe gilt für das Bezugspotential GND.
  • Die Begrenzerschaltung BS kann z. B. aus zwei oder mehreren hintereinandergeschalteten MOS-Feldeffekttransistoren t bestehen, die durch Verbindung ihrer Gates mit ihren Drains als Widerstände geschaltet sind. Die Source des letzten dieser Transistoren t liegt am Bezugspotential GND. Die Anzahl der in Reihe liegenden Transistoren t richtet sich nach der Anzahl der in der Spannungsvervielfachungsschaltung SV bezüglich der beiden Betriebspotentiale Vcc und GND hintereinander geschalteten Feldeffekttransistoren. Die Transistoren t können übrigens auch als in Sperrichtung liegende Dioden geschaltet sein.

Claims (3)

1. Integrierte MOS-Halbleiterschaltung mit einem - z. B. als dynamischer Speicher ausgebildeten - digitalen und mit einem Taktgeber versehenen Schaltungsteil (ES), mit einem als getakteter Substratvorspannungsgenerator ausgebildeten weiteren Schaltungsteil (SE) sowie mit zwei die von einer Gleichspannungsquelle gelieferte Versorgungsspannung führenden Versorgungsanschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Taktung des Substratvorspannungsgenerators (SE) ein vom Taktgeber (TG) für den digitalen Schaltungsteil (ES) verschiedener Oszillator (O) verwendet und dieser Oszillator (O) gleichzeitig zur Steuerung eines als Spannungsvervielfacher ausgebildeten und eine im Vergleich zu der an den Versorgungsanschlüssen (Vcc, GND) liegenden Versorgungsspannung überhöhte Betriebsspannung (Vz) and den digitalen Schaltungsteil (ES) liefernden Schaltungsteils (SV) vorgesehen ist, daß dabei der die überhöhte Betriebsspannung an den digitalen Schaltungsteil (ES) liefernde Ausgang des Spannungsvervielfachers (SV) über eine Begrenzerschaltung (BS) aus MOS-Transistoren (t) an den das Bezugspotential (GND) führenden Versorgungsanschluß gelegt ist, und daß schließlich in an sich bekannter Weise der die Substratvorspannung (VBB liefernde Ausgang des Substratvorspannungsgenerators (SE) unter Vermittlung eines als Komparator wirkenden Umformers (U) an einen der Aktivierung des für den digitalen Schaltungsteil (ES) vorgesehenen Taktgebers (TG) dienenden Eingang desselben gelegt und die hierdurch gegebene Steuerung der Aktivierung des Taktgebers (TG) derart ausgebildet ist, daß erst mit dem Erreichen der vollen Substratvorspannung (VBB) eine Aktivierung des Taktgebers (TG) und damit des digitalen Schaltungsteils (ES) möglich ist.
2. MOS-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerschaltung (BS) aus in Serie liefenden MOS-Feldeffekttransistoren (t) besteht, die in gleicher Weise als Widerstände oder als in Sperrichtung liegende Dioden geschaltet sind.
3. MOS-Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der digitale Schaltungsteil (ES) mit Varaktorkondensatoren versehen ist, die durch die von dem Spannungsvervielfacher (SV) gelieferte überhöhte Spannung (Vz) aufzuladen sind.
EP81101324A 1980-03-11 1981-02-24 Integrierte MOS-Halbleiterschaltung Expired EP0036494B1 (de)

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EP0036494A3 EP0036494A3 (en) 1981-11-25
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