JP2004032919A

JP2004032919A - チャージポンプ装置

Info

Publication number: JP2004032919A
Application number: JP2002186579A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Goto; 後藤　達見
Original assignee: Renesas Micro Systems Co Ltd
Current assignee: Renesas Micro Systems Co Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】不揮発性記憶において目標の高電位を得るために従来回収される事のなったプログラムモードでの余剰電荷を効率的に再利用した低消費電力のチャージポンプ装置を提供することにある。
【解決手段】不揮発性記憶装置でプログラムモード終了後にチャージポンプで発生した高電圧余剰電荷を接続スイッチとキャパシタ極性反転回路により、適正な容量のキャパシタに効果的に回収し、次回のプログラムモードのプリチャージに必要電荷を供給する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャージポンプ装置に関し、特に、不揮発性記憶装置の低消費電力化に適したチャージポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話を初めとする情報電子機器が、世の中に広く用いられていることは、周知の事実である。また、情報電子機器が、複数個の半導体装置で構成されていることもよく知られている。このような半導体装置のうち、半導体記憶装置も上述の情報電子機器に用いられていることは、周知の事実である。
【０００３】
そして、半導体記憶装置の中でも、不揮発性記憶装置が携帯用機器に多く用いられていることもよく知られている。また、上述した不揮発性記憶装置は、その動作電圧を高めるために、チャージポンプ装置が用いられていることもよく知られている。
【０００４】
このような従来のチャージポンプ装置は、例えば、特開２０００−０７６８７９号公報に記載されている。
【０００５】
図７は、従来のチャージポンプ装置を不揮発性記憶装置に適用したブロック図で、不揮発性記憶部メモリアレイ（１０３）とこれにプログラムモード時に高電位を供給するチャージポンプ装置のブロック図である。
【０００６】
このようなチャージポンプ装置は、プログラム動作である消去、書き込み、ストレスモードにおいてはメモリセルにはバイアス極性反転を伴う電位差を複数の専用信号で供給印加する必要がある。
【０００７】
このような、不揮発性記憶装置用チャージポンプは、プログラム動作を行う時には高電位を発生するが、一般的に動作終了後は電荷を回収される事無く放電していた。
【０００８】
チャージポンプの自体の低電力化や書き込みの周波数の対応で低電力の改良は行われているが、近年ますます低消費電力化することが要求されている。
この要請に応えるために従来の手法は、図６に示すように正電圧チャージポンプ発生回路（１００）と負荷を繋ぐ経路にキャパシタ（３）を接続する構造で、これまで高電位後に回収される事無く放電していた電荷を接続されたキャパシタで一時的に貯え、次回の高電位発生時に０Ｖからの昇圧を回避し省電力化したものである。
【０００９】
また、上述したような従来のチャージポンプ装置は、さらに、特開平１０−０５５６８１号公報または特開平１０−１４９６８３号公報にも開示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、図７で示す不揮発性記憶装置で使用する場合、高電位を使用するプログラム動作である消去、書き込み、ストレスモードにおいてメモリセル部に供給されたソース電位ＶＰＳ（１０４）、ワード電位ＶＰＷ（１０５）は、目的のセルに選択されソースとゲート間に電位差（バイアス）を印加する必要があり、通常複数の専用の信号を使って実現している。
【００１１】
従って図６に示す従来技術では、各信号はモード毎にＧＮＤ電位からＶＣＣ電位、そして高電位、極性（バイアス）反転となるという動作となるため、各高電位信号の電位毎にキャパシタに極性を一致させて最適充電できないという問題がある。
【００１２】
さらには、接続されたキャパシタは負荷に応じた最適容量で対応できない構造（固定容量）となっているので、プログラムモード前後の充放電では負荷に応じた最適容量選択ができないため、負荷に応じた最適なプリチャージ電位が得られず、従来のチャージポンプの動作に無駄が生じる恐れがあり、結果的には消費電力悪化という問題もある。
【００１３】
したがって、本発明の主な目的は不揮発性記憶装置のチャージポンプ回路の消費電力を低減した不揮発性記憶装置に適用するをチャージポンプ装置提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のチャージポンプ装置は、負荷である不揮発性記憶装置に対し、チャージポンプ動作をするチャージポンプ装置であって、プログラムモード時に高電位を発生供給する正電圧チャージポンプから、プログラムモード後の高電位余剰電荷を回収するために、前記正電圧チャージポンプを接続する接続スイッチと、負荷の平衡スイッチと、前記負荷との極性反転スイッチと、前記高電位余剰電荷を回収する電荷回収キャパシタと、前記チャージポンプ、前記接続スイッチ、平衡スイッチ、前記極性反転スイッチおよび前記電荷回収キャパシタのそれぞれを制御するコントロール回路とを備える構成である。
【００１５】
また、本発明のチャージポンプ装置は、前記プログラムモード終了後に不用になった余剰電荷を、前記第２の接続スイッチにより前記極性反転スイッチを介し、第１の高電位信号線および第２の高電位信号線の電位に応じた極性で、前記電荷回収キャパシタに充電し、次回のプログラムモードまでプリチャージ用電荷として保持する構成である。
【００１６】
また、本発明のチャージポンプ装置の前記電荷回収キャパシタは、負荷である不揮発性記憶部の負荷容量に応じて可変接続可能であり、前記極性反転スイッチにより適切な比率になるように選択接続される構成である。
【００１７】
また、本発明のチャージポンプ装置の前記プログラムモードにおいては、前記第１の高電位信号線の電位および前記第２の高電位信号線の電位が、ブート電位と低電源電位のモード所定電位となっている構成である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点を明確にすべく、以下添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態のチャージポンプ装置について、詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプ構成図である。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプは、正電圧チャージポンプ（１００）と、リセット回路（１０１）と、高電圧リミッタ回路（１０２）と、不揮発性記憶部（１０３）と、チャージポンプ低電力化回路（１０）とを備える。
【００２１】
本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプは、正電圧チャージポンプ（１００）からプログラムモード時に高電位が発生供給され、不揮発性記憶部（１０３）に接続された高電位信号線ＶＰＷ（１０５）、ＶＰＳ（１０４）にプログラムに応じた高電位が供給される。そして、本発明に従って正電圧チャージポンプ（１００）には接続ＳＷ１（スイッチ　１１）、それを介して、接続平衡ＳＷ３（１６）が、それに接続平衡ＳＷ２（１２）及びキャパシタ接続回路（１３）とキャパシタＣｄｅｃ（１４）、更にそれらを制御するコントロール（１５）が設けられている。
【００２２】
プログラムモード終了後に不用になった余剰電荷は直ちに接続ＳＷ２（１２）によりキャパシタ接続回路を介し、高電位信号線ＶＰＷ（１０５）、ＶＰＳ（１０４）の電位に応じた適切な極性でキャパシタＣｄｅｃ（１４）に充電され、次回のプログラムモードまでプリチャージ用電荷として保持される。
【００２３】
キャパシタＣｄｅｃ（１４）は、負荷である不揮発性記憶部（１０３）の負荷容量に応じて可変接続可能な構造で用意されており、キャパシタ接続回路（１３）により適切な比率になるように選択接続される。
【００２４】
図１の正電圧チャージポンプ（１００）、高電圧リミッタ回路（１０２）、ＲＥＳＥＴ（１０１）、不揮発性記憶部（１０３）は当業者にとってよく知られており、また本発明とは直接関係しないので、その詳細な構成は省略する。
【００２５】
次に、本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプの動作につき説明する。まず、図１を等価回路の図２に置き換え、図３のタイミング図を参照して説明する。
【００２６】
図２に示す等価回路を参照すると、本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプは、容量ＣＪ（２０１）、容量Ｃｌｏａｄ（２０２）、容量Ｃｄｅｃ（１４）は、容量素子を示し、接続平衡スイッチＳＷ３（１６）は、ワード電位ＶＰＷ（１０５）の節点とソース電位ＶＰＳ（１０４）の節点を短絡させるスイッチを示す。
【００２７】
接続ＳＷ２（１２）はキャパシタ接続反転ＳＷ４（１３）と接続する。キャパシタ接続反転ＳＷ４（１３）は本来ＶＰＷとＶＰＳの電位状態に応じ極性反転接続させる機能とキャパシタの容量を選択する機能を有するが、ここでは便宜上固定で説明する。
【００２８】
容量ＣＪ（２０１）は、チャージポンプ回路と不揮発記憶部負荷容量ＣＬＯＡＤ（２０２）が、接続ＳＷ１（１０２）で切断状態での容量である。容量Ｃｄｅｃ（２０３）は電荷保持用のキャパシタであり、接続ＳＷ２で切断状態の時の容量である。高電位信号であるソース電位ＶＰＳ（１０４）、ワード電位ＶＰＷ（１０５）は、チャージポンプ（１０）によりモードに応じ、電源ＶＳＳから電源ＶＣＣに変動する。
図５のタイミング図では、最上部にはモード名、中部では各信号波形を、最下部にはＯＮ状態の接続ＳＷの番号が記されている。
【００２９】
プログラム（ＰＲＯＧＲＡＭとする）モードにおいては、ワード電位ＶＰＷ（１０５）とソース電位ＶＰＳ（１０４）はモード所定の電位ＶｂｏｏｔとＶｓｓとなっている。モード終了後、ＳＷ２がＯＮし、Ｃｄｅｃに接続されてＶｄｅｃの電位となる。
【００３０】
安定後、ＳＷ１がＯＮし両信号はリセットされる。通常（ＶＣＣ）モード後にＶＰＷ，ＶＰＳは夫々Ｖｃｃ，Ｖｓｓとなるが、ＤＩＳモードにおいて、ＳＷ３をＯＮしＶＰＷ／ＶＰＳ信号を短絡させて平衡電位Ｖｂａｌとなる。安定後にＳＷ２をＯＮし、Ｃｄｅｃの蓄電荷によりＶＰＷ／ＶＰＳにプリチャージし、プリチャージ電位Ｖｐｒｅを得る。その後プログラムモードにはＳＷ１がＯＮし、プリチャージ電位Ｖｐｒｅから昇圧を始めることが可能である。
【００３１】
実際には、容量Ｃｊとの容量分割による電位低下Ｖｐｒｅ２となるが、ここでは、便宜上Ｃｊ　ＣＬＯＡＤ、すなわち、Ｃｊの容量値は、負荷容量ＣＬＯＡＤの容量値よりはるかに小さいので、無視する。
【００３２】
以上ことから、ワード電位ＶＰＷ（１０５）とソース電位ＶＰＳ（１０４）の高電位状態の極性に応じ、制御されたスイッチ（ＳＷ２，ＳＷ４）により電荷を充電保持し、ＲＥＡＤなどの通常モード後の電位を短絡平衡（Ｖｂａｌ）した後、キャパシタＣｄｅｃの電荷を放電することである程度のプリチャージ電位を得、電位が不十分ならそこから追加プリチャージで補い電源ＶＣＣに達した後は、従来の昇圧を行うのでプリチャージの低消費電力化が可能である。
【００３３】
次に、キャパシタＣｄｅｃが負荷容量Ｃｌｏａｄに対してどのくらいの比率が適当であるかを図２、図３に示す例で概算する。
【００３４】
ここで、各キャパシタの係数、電位初期条件を仮定して、ＣｌｏａｄとＣｄｅｃ間での充放電をｎ回繰り返した、時のプリチャージ電位Ｖｐｒｅを計算する。
【００３５】
Ｖｂａｌ：ＶＰＷ，ＶＰＳを短絡した時の平衡電位、Ｖｂｏｏｔ：プログラム電位、Ｖｄｅｃ：キャパシタＣｄｅｃの初期電位とすると、１回目のＣｄｅｃへの充電後の電位は以下のようになる
【００３６】
【数１】

【００３７】
この状態からＣｌｏａｄへのプリチャージである１回目Ｖｐｒｅ＿１は、
【００３８】
【数２】

【００３９】
ここで、Ｖｂｏｏｔ＝ｂ・Ｖｃｃ、Ｃｌｏａｄ＝ａ・Ｃｄｅｃ、Ｖｂａｌ＝ｃ・Ｖｃｃと置き換える。ａ：ＣｌｏａｄとＣｄｅｃの係数、ｂ：高電位ＶｂｏｏｔとＶｃｃの係数、ｃ：平衡スイッチＳＷ３によるＶＰＷとＶＰＳの短絡後のＶＣＣとの電位係数とすると、
【００４０】
【数３】

【００４１】
となる。そこでｎ回目は
【００４２】
【数４】

【００４３】
となるが、ここでＶｃｃ＝Ｖｄｅｃとすると以下の式を得、グラフにすると図４となる。
【００４４】
【数５】

【００４５】
《式１》からＶｐｒｅ＿ｎはｎ＝１０でも十分飽和し、図４のグラフからわかるように、ａ＝０．１（ＣｄｅｃがＣｌｏａｄの１０倍）、ｂ＝２（高電位はＶｃｃの２倍）、ｃ＝０．５（平衡電位がＶｃｃの半分）のときＶｐｒｅはＶｃｃの１．２倍となる。
ａ＝１（Ｃｄｅｃ＝Ｃｌｏａｄ）とし、ｂ：変化させない、ｃ：変化させないときは、ＶｐｒｅはＶｃｃの電位を得る。
【００４６】
またｃ＝１とｃ＝０．５のグラフからわかるように適切な比率（Ｃｌｏａｄ／　Ｃｄｅｃ）は０．１近傍に極値を持つ事がわかる。
【００４７】
このように、負荷に対し１〜１０倍の容量でＶｐｒｅ＝Ｖｃｃ以上となる。容量値に依存しないが、例としてプログラムの消去モードでＣｌｏａｄ＝１５００ｐｆの負荷があるとき、Ｃｄｅｃ＝１５００ｐｆ〜１５０００ｐｆとなるが、実現できる現実的な容量は負荷と同等程度である。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプについて、説明する。
【００４９】
本発明の第２の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプは、その基本的構成は本発明の第１の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプの構成と同一であるが、キャパシタＣｄｅｃ（１４）とキャパシタ接続反転ＳＷ４（１３）についてさらに工夫している。その構成を図５に示す。
【００５０】
図５を参照すると、本発明の第２の実施の形態の不揮発性記憶装置用チャージポンプは、キャパシタＣｄｅｃ（１４）の代わりに可変設定可能なキャパシタＣｄｅｃ（２０３）を備える。そこで負荷に応じコントロール回路（１５）により制御されるキャパシタ接続反転ＳＷ４（１３）は、負荷Ｃｌｏａｄ（２０２）の容量に応じ最適なキャパシタＣｄｅｃ（２０３）の容量を選択制御出来るようになる。
【００５１】
これより最大のプリチャージ電位を得ることが出来、結果的に低電力化が可能である。
【００５２】
なお、本発明が上記各実施例に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施例は適宜変更され得ることは明らかである。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本願発明によれば、不揮発性記憶装置でのチャージポンプに、プログラム高電位モードでの余剰電荷蓄電するキャパシタ、キャパシタに有効に接続するための接続ＳＷ類と制御部という基本構成に基づき、最適条件では従来プログラムモードで行っていたプリチャージ動作が不用になる程の余剰電荷の回収再利用を実現した低消費電力が提供される。
【００５４】
削減効果例としてキャパシタＣｄｅｃをＣｌｏａｄと同等とした場合、プリチャージ電位Ｖｐｒｅ＝ＶｃｃとなるのでＶｃｃ・Ｃｌｏａｄの電荷量が削減となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のチャージポンプ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のチャージポンプ装置の等価回路を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のチャージポンプ装置の動作を示すタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態のチャージポンプ装置の効果を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のチャージポンプ装置の構成を示すブロック図である。
【図６】従来のチャージポンプ装置の構成を示すブロック図である。
【図７】従来のチャージポンプ装置を不揮発性記憶装置に適用したブロック図である。
【符号の説明】
１　　接続ＳＷ
２　　コントロール回路
３　　キャパシタ（Ｃｄｅｃ）
４　　負荷キャパシタ（Ｃｌｏａｄ）
１０　　チャージポンプ低電力化回路
１１　　接続ＳＷ１
１２　　接続ＳＷ２
１３　　接続ＳＷ４
１４　　キャパシタ（Ｃｄｅｃ）
１５　　コントロール回路
１６　　接続ＳＷ３
１００　　正電圧チャージポンプ
１０１　　ＲＥＳＥＴ
１０２　　高電圧リミット回路
１０３　　不揮発記憶部（メモリアレイ）
１０４　　ソース電位ＶＰＳ
１０５　　ワード電位ＶＰＷ
２０１　　キャパシタ（Ｃｊ）
２０２　　負荷キャパシタ（Ｃｌｏａｄ）
２０３　　キャパシタ（Ｃｄｅｃ）
７１２，７１３　　デコーダ
７１４，７２４，７３４，７４４，７５４　　メモリセル
７６０　　不揮発性メモリセル
７６１　　ゲート
７６２　　フローティングゲート
７６３　　ソース
７６４　　ドレイン

Claims

負荷である不揮発性記憶装置に対し、チャージポンプ動作をするチャージポンプ装置であって、
前記チャージポンプ動作におけるプログラムモード時に、高電位を発生供給する正電圧チャージポンプから、プログラムモード後の高電位余剰電荷を回収するために、前記正電圧チャージポンプを接続する第１の接続スイッチと、
前記負荷の電位を平衡にする平衡スイッチと、
前記高電位余剰電荷を回収する電荷回収キャパシタと、
前記電荷回収キャパシタの極性を反転する極性反転スイッチと、
前記極性反転スイッチを接続する第２の接続スイッチと、
前記第１の接続スイッチ、前記平衡スイッチ、前記極性反転スイッチおよび前記第２の接続スイッチのそれぞれを制御するコントロール回路とを備えることを特徴とするチャージポンプ装置。
前記プログラムモード終了後に不用になった余剰電荷を、前記第２の接続スイッチにより前記極性反転スイッチを介し、第１の高電位信号線および第２の高電位信号線の電位に応じた極性で、前記電荷回収キャパシタに充電し、次回のプログラムモードまでプリチャージ用電荷として保持する請求項１記載のチャージポンプ装置。
前記電荷回収キャパシタは、負荷である不揮発性記憶部の負荷容量に応じて可変接続可能である請求項２記載のチャージポンプ装置。
前記電荷回収キャパシタは、前記極性反転スイッチにより適切な比率になるように選択接続される請求項２または３記載のチャージポンプ装置。
前記プログラムモードにおいては、前記第１の高電位信号線の電位および前記第２の高電位信号線の電位が、ブート電位と低電源電位のモード所定電位となっている請求項１記載のチャージポンプ装置。
前記プログラムモード終了後、前記第２の接続スイッチがオンし、前記電荷回収キャパシタに接続されて確定電位となる請求項１記載のチャージポンプ装置。
前記プログラムの通常モード後に前記第１の高電位信号線の電位は、高電源電位になり、前記第２の高電位信号線の電位は、前記高電源電位より低い低電源電位となる請求項１、２、３、４または５記載のチャージポンプ装置。
前記プログラムのＤＩＳモードにおいて、前記平衡スイッチがオンし、前記第１の高電位信号線の電位および前記第２の高電位信号線の電位の電位を短絡させて平衡電位とし、前記平衡電位が安定後に前記第２の接続スイッチをオンさせて、前記電荷回収キャパシタの蓄電荷により、前記第１の高電位信号線の電位および前記第２の高電位信号線の電位の電位をプリチャージし、プリチャージ電位を得る請求項７記載のチャージポンプ装置。
前記電荷回収キャパシタは、可変設定可能なキャパシタである請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載のチャージポンプ装置。