JP2004129019A - Internal negative power supply generation circuit and semiconductor memory having the generation circuit - Google Patents

Internal negative power supply generation circuit and semiconductor memory having the generation circuit Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent an internal negative power supply from becoming deeper by an increase of an external power supply. <P>SOLUTION: An internal negative power supply generation circuit has a charge pump circuit generating a negative power supply lower than a grounded power supply at a negative power supply terminal by receiving an external power supply and the grounded power supply and by absorbing a charge from the negative power supply terminal, and a charge pump control circuit monitoring a potential of the negative power supply terminal and controlling the charge pump circuit to be an operation state and a non-operation state so as to keep the negative power supply potential a first level when the external power supply is a predetermined rated potential. When the external power supply increases higher than the rated potential, the charge pump control circuit controls the charge pump circuit so as to keep the negative power supply potential a second level which is shallower than the first level. When the external power supply increases higher than the rated potential, the charge pump control circuit controls the negative power supply potential to be the second level which is shallower (higher) than the normal first level, whereby a cell transistor, a transistor of a word driver, and the like are prevented from reaching a gate insulation film breakdown. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部負電源生成回路に関し、特に、外部電源の上昇に対応してより浅いレベルになる内部負電源を生成する回路及びそれを有する半導体メモリに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体メモリは、省電力化のために外部電源より低い内部正電源を生成し、メモリセルアレイの電源として利用する。例えば、ダイナミックRAMでは、メモリセル内の電圧レベルが接地電圧または内部正電源電圧に制御される。また、半導体メモリでは、基板側にリークする電流を吸収ために、バックバイアス電源が生成される。バックバイアス電源は、接地電圧より低い負電源である。バックバイアス電源を基板に印加することにより、内部のトランジスタの閾値が低くならないようにする。
【0003】
一方、ダイナミックRAMは、大容量、微細化に伴い、セルトランジスタのサイズが微細化され、低閾値電圧化され、オフ状態におけるサブスレッシュールドリーク電流が顕著になる傾向にある。このセルトランジスタのリーク電流の増大は、リフレッシュ周期を短くすることを招き好ましくない。
【0004】
このようなサブスレッシュールドリーク電流を防止するために、N型のセルトランジスタに対して、オフ状態のワード線電位を従来の接地電位から負電位にすることが考えられる。ワード線電位を負電位にすることにより、閾値電圧が低いセルトランジスタを確実にオフ状態にして、上記リーク電流を防止する。または、別のリーク電流防止方法としては、P型のセルトランジスタを利用して、ワード線の電位を負電位(オン状態)と外部正電源電位(オフ状態)に制御することが考えられる。内部正電源電位に制御することで、Pチャネル型のセルトランジスタは確実にオフ状態にされ、上記のリーク電流は防止される。
【0005】
このような負電位を供給するために、内部で負電源を生成する必要がある。かかる内部負電源は、バックバイアス電源と同様に、チャージポンプ回路によって生成される。つまり、発振回路が生成するクロックによりチャージを吸収することにより、接地電位より低い負電位の電源が生成される。そして、内部負電源電位を監視するチャージポンプ制御回路が設けられ、チャージポンプ回路の発振回路の動作を制御することにより、内部負電源電位を一定値に保つ。上記従来例は、例えば以下の特許文献1に記載されている。
【0006】
【特許文献1】
Satoshi Eto et al., ”A 1 Gb SDRAM with Ground Level Pre−charged Bit Line and Non−Boosted 2.1V Word Line”, ISSCC Digest of Technical Papers, pp82−83, Feb., 1998
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、外部電源の電位が定格電位より高く変動すると、外部電源電位と内部負電源電位との電位差が広がり、ワードドライバのトランジスタのゲート絶縁膜を破壊するおそれがある。また、セルトランジスタをP型トランジスタにした場合も、外部電源電位と負電源電位との電位差の広がりによりセルトランジスタのゲート絶縁膜の破壊を招くおそれがある。外部電源が上昇すると、外部電源から生成される内部正電源電位もわずかに上昇し、内部負電源電位を接地電位から一定に保つようにすると、内部正電源電位と負電源電位との電位差も広がり、内部トランジスタのゲート絶縁膜の破壊を招くおそれがある。更に、外部電源が上昇すると、昇圧電源を生成する回路の発振器の周期が短くなり、昇圧電源のレベルも上昇する。このことは、ワード線を昇圧電源で駆動する場合に、ワードドライバのトランジスタのゲート絶縁膜を破壊するおそれをまねいてしまう。
【0008】
そこで、本発明の目的は、外部電源の電位上昇に応じてより浅いレベルの負電源を生成する負電源生成回路及びそれを有する半導体メモリを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の一つの側面は、外部電源と接地電源を供給され、負電源端子からチャージを吸収することにより負電源端子に前記接地電源より低い負電源を生成するチャージポンプ回路と、
前記負電源端子の電位を監視して、外部電源が所定の定格電位の時は、前記負電源電位を第1のレベルに保つように前記チャージポンプ回路を動作状態と非動作状態とに制御するチャージポンプ制御回路とを有し、
当該チャージポンプ制御回路は、前記外部電源が定格電位よりも高く上昇する時は、前記負電源電位を前記第1のレベルより浅い第2のレベルに保つように前記チャージポンプ回路を制御することを特徴とする。
【0010】
上記発明の側面によれば、チャージポンプ制御回路が、外部電源が定格電位よりも上昇するときに、負電源電位を通常時の第1のレベルより浅い(高い)第2のレベルに制御するので、セルトランジスタやワードドライバのトランジスタなどがゲート絶縁膜破壊に至ることが防止される。
【0011】
上記の発明の好ましい実施例によれば、チャージポンプ制御回路は、外部電源が供給され当該外部電源の上昇に応じて上昇する基準電圧を発生する基準電圧発生回路を有し、チャージポンプ制御回路は、前記基準電圧に対して負電源電位が所定レベルより上昇する時に前記チャージポンプ回路を動作状態にし、負電源電位が所定レベルより低くなる時に前記チャージポンプ回路を非動作状態にし、更に、基準電圧が上昇すると、前記負電源電位が前記所定レベルより浅いレベルになるとき、前記チャージポンプ回路を動作状態と非動作状態とに切り替えることを特徴とする。
【0012】
基準電圧発生回路が外部電源と接地電源とから基準電圧を発生するので、外部電源が上昇すると基準電圧も上昇し、それに応じて、チャージポンプ回路の動作状態と非動作状態とを切り替える負電源電位レベルが上昇して、より浅いレベルの負電源電位を発生することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0014】
図1は、半導体メモリの電源発生回路群を示す図である。ダイナミック型半導体メモリは、セルトランジスタを十分に導通させるために、ワード線電位を外部電源VDDよりも高い昇圧電源Vppに駆動する。また、省電力化のために外部電源VDDよりも低い内部正電源Viiをセルアレイ電源として利用する。そして、本実施の形態では、接地電源より低い内部負電源VNNを生成する。この内部負電源VNNは、半導体基板に印加されるバックバイアス電源とは別の負電源である。
【0015】
昇圧電源Vppを生成する昇圧電源生成回路1は、発振回路OSC1と、発振器OSC1が生成するクロックCLK1により、外部電源VDDから供給されるチャージを昇圧電源端子Vppに供給するVppポンプ回路10とを有し、昇圧電源Vppを外部電源VDDより高くする。この昇圧電源Vppは、図示しない昇圧電源レベル監視回路により監視され、昇圧電源レベル監視回路は、昇圧電源Vppのレベルが外部電源VDDより高い所定のレベルに維持されるように発振回路OSC1を制御する。外部電源VDDのレベルが上昇すると発振回路の周期が短くなり、ポンプ回路10のポンピング動作が活発になり、昇圧電源レベルも上昇する傾向にある。
【0016】
内部正電源Viiは、内部正電源生成回路2により生成され、内部正電源生成回路2は、外部電源VDDから一定のゲート電圧Vgを生成するVg生成回路12と、そのゲート電圧Vgがゲートに印加され、ドレインが外部電源VDDに接続され、ソースから内部正電源Viiが生成される内部正電源生成トランジスタ14とからなる。この内部正電源Viiは、ゲート電圧Vgからトランジスタ14の閾値電圧だけ低い一定のレベルに維持され、外部電源VDDから電流を供給する。内部正電源Viiが低くなると、トランジスタ14がより導通状態になり、外部電源VDDから電流供給がなされて、内部正電源Viiのレベルの低下が防止される。また、メモリがスリープ状態になるなど内部正電源Viiのレベルがある程度上昇すると、トランジスタ14がより非導通状態になり、外部電源VDDからの電流供給が少なくなり、内部正電源Viiの上昇が抑制される。
【0017】
次に、内部負電源VNNを生成する内部負電源生成回路3は、クロックCLK2を生成する発振回路OSC2と、そのクロックCLK2により内部負電源端子VNNから接地電源Vss側にチャージを引き抜くVNNポンプ回路16とからなるチャージポンプ回路と、チャージポンプ制御回路18とを有する。チャージポンプ制御回路18は、内部負電源VNNのレベルを監視して、内部負電源VNNのレベルが所定のレベルより浅くなるときに発振回路OSC2を動作状態にし、所定レベルより深くなるときに発振回路を非動作状態にする。このように、内部負電源発生回路3は、発振回路OSC2の動作状態を内部負電源VNNのレベルに応じて制御することにより、ポンプ回路16のポンピング動作を制御し、内部負電源VNNを所定の負のレベルに維持する。この詳細な回路は、後述する。
【0018】
図2は、半導体メモリ内の電源の関係を示す図である。横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示す。時間ゼロでは外部電源VDDが投入されていない状態であり、時間ゼロで外部電源VDDが投入されると、外部電源VDDが立ち上がり、所定の定格電圧レベルまで上昇する。外部電源VDDの立ち上がりに伴って、内部で生成される昇圧電源Vpp、内部正電源Viiが共に上昇し、昇圧電源Vppは外部電源VDDよりも高い所定のレベルになり、一方、内部正電源Viiも立ち上がり外部電源VDDよりも低いレベルになる。更に、内部負電源VNNは、外部電源VDDの立ち上がりに伴って、接地電源Vssより低いレベルになり、所定の負電位レベルになる。つまり、外部電源VDDの投入により、半導体メモリの内部では、昇圧電源Vppと、内部正電源Viiと、内部負電源VNNとが生成される。
【0019】
図3は、半導体メモリの一例を示す図である。この半導体メモリは、ワード線WLとビット線BLとの交差位置にセルトランジスタMCとキャパシタCmとからなるメモリセルが設けられている。セルトランジスタMCは、Nチャネルトランジスタであり、ワード線WLはワードドライバWDのトランジスタ20,21により昇圧電源Vppまたは内部負電源VNNに駆動され、ビット線BLはセンスアンプSAにより内部正電源Viiまたは接地電源Vssに駆動される。セルトランジスタMCのゲートに接続されたワード線WLを昇圧電源Vppに駆動することで、セルトランジスタMCは十分導通し、ワード線WLを内部負電源VNNに駆動することで、セルトランジスタMCは完全に非導通状態になる。つまり、非選択ワード線レベルを負電位にすることで、非選択状態でのセルトランジスタのサブスレッシュールドリーク電流を抑制することができる。
【0020】
図4は、半導体メモリの別の例を示す図である。この例では、セルトランジスタMCがPチャネルトランジスタで構成され、ワード線WLがワードドライバWDにより外部電源VDDまたは内部負電源VNNに駆動される。ビット線BLは、センスアンプSAにより内部正電源Viiまたは接地電源Vssに駆動される。セルトランジスタMCをPチャネルトランジスタにすることで、非選択状態ではワード線WLを外部電源VDDにしてセルトランジスタを完全に非導通状態にすることができる。また、選択状態では、ワード線WLを内部負電源VNNにすることで、セルトランジスタをより導通状態にすることができる。
【0021】
図3の例では、ワードドライバWDのトランジスタ21のゲートには、昇圧電源レベルの選択信号RDが印加され、トランジスタ21のゲート・ソース間には、昇圧電源Vppと内部負電源VNNとが印加される。また、セルトランジスタMCのゲート・ドレイン間には、内部負電源VNNと内部正電源Viiとが印加される。図4の例では、ワードドライバのトランジスタ23のゲート・ソース間には、外部電源VDDと内部負電源VNNとが印加され、セルトランジスタMCのゲート・ドレイン間には、内部負電源VNNと内部正電源Viiとが印加される。
【0022】
このように、内部負電源VNNは、サブスレッシュールドリーク電流防止のために採用されるが、内部負電源VNNと外部電源VDDとの電圧差、または内部負電源VNNと内部正電源Viiや昇圧電源Vppとの電圧差が大きくなると、内部のトランジスタのゲート絶縁膜を破壊するおそれがある。
【0023】
図5は、内部負電源生成回路の一例を示す図である。VNNポンプ回路16は、ポンプ用キャパシタCpと、接地電源Vssとポンプ用キャパシタCpのノード24との間に設けられたトランジスタ25と、内部負電源VNNとノード24との間に設けられたトランジスタ26とを有する。トランジスタ25,26は共にゲートとドレイン間が接続され、ダイオードとして動作する。VNNポンプ回路16と発振器OSC2とでチャージポンプ回路が構成される。
【0024】
このチャージポンプ回路では、発振器OSC2が生成するクロックCLK2の立ち上がりに応答して、キャパシタCpの容量カップリングによりノード24も立ち上がり、トランジスタ26は逆方向で非導通となり、トランジスタ25を介して接地電源Vssに電荷が押し出される。その後のクロックCLK2の立ち下がりに応答して、今度はトランジスタ25が逆方向で非導通状態になるので、トランジスタ26を介して負電源端子VNNから電荷が引き抜かれる。これを繰り返すことで、負電源VNNの電位が接地電源Vssより低くなる。発振器OSC2が動作状態の時は、上記のクロックCLK2によるポンピング動作により内部負電源VNNが接地電源より低くされるが、発振器OSC2が非動作状態になると、クロックCLK2が停止してポンピング動作が停止する。
【0025】
チャージポンプ制御回路18は、3段のCMOSインバータで構成され、初段のCMOSインバータのPチャネルトランジスタ30は、ソースが外部電源VDDに、ゲートが基準ノードS39に、そしてドレインがNチャネルトランジスタ31に接続される。また、Nチャネルトランジスタ31は、そのソースが内部負電源VNNに接続され、ゲートが基準ノードS39に接続される。そして、基準ノードS39は、接地電源Vssに接続されている。そして、最終段のCMOSインバータの出力S18は、制御信号として発振器OSC2に供給される。
【0026】
図6は、チャージポンプ制御回路18の動作を示す動作波形図である。横軸が時間、縦軸が電圧をそれぞれ示す。時間ゼロにおいて、外部電源VDDが立ち上がると、それに伴いPチャネルトランジスタ30が導通状態になり、ノード36は外部電源VDDの上昇と共に上昇する。この時、ノード37はLレベル、制御ノードS18はHレベルになり、発振器OSC2は動作状態に制御され、ポンプ回路16のポンピング動作により内部負電源VNNは、接地電位よりも低いレベルに引き下げられる。
【0027】
初段のCMOSインバータのNチャネルトランジスタ31のゲートは接地電位、ソースは内部負電源VNNにそれぞれ接続されているので、内部負電源VNNが基準ノードS39の接地電位に対して所定のレベルまで低下すると、トランジスタ31が導通状態になる。その結果、ノード36は、トランジスタ30と31のオン抵抗比により決まるレベルになる。この例では、両トランジスタが導通した時は、ノード36が接地レベルになるようにトランジスタが設計されている。このノード36の接地レベルへの切り替わりに伴って、2段目と3段目のCMOSインバータが反転し、ノード37はHレベルとなって外部電源VDDに追従し、また、制御ノードS18はLレベルに反転する。この制御ノードS18の反転により、発振器OSC2が非動作状態に制御され、内部負電源VNNレベルは接地電位から所定のレベル低いレベルに維持される。
【0028】
但し、内部負電源VNNが内部回路の動作などにより、所定レベルより浅くなると、トランジスタ31が再び非導通になり、制御ノードS18がHレベルになり、発振器OSC2が動作状態となり、ポンピング動作が再開して、内部負電源VNNが所定のレベルに下がるまで電荷の引き抜き動作が繰り返される。
【0029】
図5のポンプ制御回路18の問題点は、基準ノードS39が接地電位Vssに接続されているので、外部電源VDDが定格レベルより上昇すると、トランジスタ31が導通、非導通と切り替わる内部負電源VNNのレベルがより深くなることにある。つまり、外部電源VDDが上昇すると、トランジスタ30はより深く導通状態になりそのオン抵抗は低下する。従って、内部負電源VNNがより深いレベルになってトランジスタ31をより深く導通状態にしないと、ノード31のレベルが反転しないことになる。つまり、外部電源VDDの上昇に伴い、内部負電源VNNはより深いレベルに制御される。
【0030】
更に、外部電源VDDが定格レベルより高く上昇すると、発振器OSC2の発振周波数が高くなり、ポンピング動作がより活発になり、内部負電源VNNのレベルはより深くなる。
【0031】
外部電源VDDの上昇は、内部で生成される昇圧電源Vppや内部正電源Viiのレベルのわずかな上昇を招く。上記の内部負電源VNNの低下と相まって、Vpp−VNN間電圧差、Vii−VNN間電圧差がより大きくなり、内部のトランジスタのゲート絶縁膜破壊をもたらすことになる。
【0032】
図7は、本実施の形態における内部負電源生成回路を示す図である。また、図8は、その動作波形図である。本実施の形態の内部負電源生成回路は、図5と同じ発振器OSC2と、ポンプ回路16と、その制御回路18とを有し、更に、外部電源VDDの上昇に応答して基準ノードレベルS39を上昇させる基準電圧発生回路50を有する。
【0033】
基準ノードS39は、図5の回路では接地電源Vssに固定されていたが、図6では、外部電源VDDと接地電源Vss間を抵抗R3,R4で抵抗分割したレベルにされるので、外部電源VDDが定格レベルより上昇するのに伴って、接地レベルより高く上昇する。
【0034】
図8の動作波形図に示されるとおり、電源VDDの投入に伴い、電源VDDが上昇し、ノード36と制御ノードS18も上昇して、発振器OSC2が動作状態になり、ポンピング動作により内部負電源VNNが低下する。やがて、トランジスタ31が導通して、ノード36が接地レベルに下がり、制御ノードS18もLレベルになり、発振器が非動作状態になり、内部負電源VNNのレベル低下は停止する。ここまでは、図5の回路と同じである。この状態では、基準ノードレベル生成回路50は、抵抗R1,R2で外部電源VDDを分割された電圧V1が基準電圧Vrefより低く、コンパレータ40の出力N40はHレベル、インバータ41の出力N41はLレベルとなり、トランジスタ42は非導通状態となっている。そのため、基準ノードS39のレベルは、接地電源Vssレベルに維持される。
【0035】
ある時間で、外部電源VDDが定格電圧より上昇すると、抵抗R1,R2で分割されていた電圧V1が上昇し、コンパレータ40の出力が反転して、インバータ41の出力N41がHレベルになり、Nチャネルトランジスタ42を導通状態にする。そのため、基準ノードS39は、外部電源VDDをトランジスタ42のオン抵抗と、抵抗R3,R4とによる電圧分割レベルになり、外部電源VDDの上昇に追従して、正電圧側に上昇する。基準ノードS39の上昇に伴って、制御回路18のトランジスタ31が反転する内部負電源レベルが上昇する。具体的には、上昇した基準ノードS39のレベルからトランジスタ31の閾値電圧だけ低いレベルまで、内部負電源レベルが上昇する。つまり、外部電源VDDが上昇すると、それに伴って内部負電源VNNのレベルが浅くなるように制御されることになる。従って、内部負電源VNNのレベルが深くなりすぎて、内部トランジスタがゲート絶縁破壊に至ることを抑制若しくは防止することができる。
【0036】
図9は、本実施の形態における別の内部負電源生成回路を示す図である。また、図10は、その動作波形図である。図9の内部負電源生成回路は、図7と同じ発振器OSC2、ポンプ回路16、制御回路18を有し、基準ノードレベル生成回路50が図7と異なる。基準ノードレベル生成回路50は、外部電源VDDと接地電源Vssとの間に、ダイオード接続された複数のトランジスタ51〜53と、抵抗R5とが縦列に接続され、抵抗R5とトランジスタ53との接続点が基準ノードS39に接続されている。
【0037】
この基準ノードレベル生成回路50の動作は、単純であり、外部電源VDDが上昇すると、基準ノードS39のレベルは、外部電源VDDからトランジスタ51〜53の閾値電圧の合計値nVthだけ低いレベルに維持される。従って、図10に示されるとおり、外部電源VDDが定格レベルより上昇すると、それに追従して基準ノードS39もVDD−nVthのレベルで上昇する。基準ノードS39のレベルが上昇することにともない、内部負電源VNNのレベルもより浅くなるように制御される。つまり、内部負電源VNNは、基準ノードS39よりトランジスタ31の閾値電圧だけ低いレベルに維持される。その結果、外部電源VDDと内部負電源VNNとの間の電圧差dVは、所定のレベル差以下に抑制される。
【0038】
このように、外部電源VDDが上昇しても、内部負電源VNNがより深くなることが防止され、更に、外部電源VDDと内部負電源VNNとのレベル差dVも、所定レベル以上大きくならないように制御される。従って、半導体メモリ内部のトランジスタがゲート絶縁膜破壊に至ることが防止される。
【0039】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、外部電源の上昇により内部負電源がより深くなることが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体メモリの電源発生回路群を示す図である。
【図2】半導体メモリ内の電源の関係を示す図である。
【図3】半導体メモリの一例を示す図である。
【図4】半導体メモリの別の例を示す図である。
【図5】内部負電源生成回路の一例を示す図である。
【図6】図5の動作波形図である。
【図7】本実施の形態における内部負電源生成回路を示す図である。
【図8】図7の動作波形図である。
【図9】本実施の形態における別の内部負電源生成回路を示す図である。
【図10】図9の動作波形図である。
【符号の説明】
3 内部負電源生成回路、 OSC2 発振器、16 ポンプ回路、18 チャージポンプ制御回路、50 基準電圧発生回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an internal negative power supply generation circuit, and more particularly, to a circuit for generating an internal negative power supply having a shallower level in response to a rise in an external power supply, and a semiconductor memory having the same.
[0002]
[Prior art]
The semiconductor memory generates an internal positive power supply lower than an external power supply for power saving, and uses it as a power supply for the memory cell array. For example, in a dynamic RAM, a voltage level in a memory cell is controlled to a ground voltage or an internal positive power supply voltage. In a semiconductor memory, a back bias power supply is generated to absorb a current leaking to the substrate side. The back bias power supply is a negative power supply lower than the ground voltage. By applying the back bias power to the substrate, the threshold value of the internal transistor is prevented from being lowered.
[0003]
On the other hand, in the dynamic RAM, as the capacity and the miniaturization are increased, the size of the cell transistor is miniaturized, the threshold voltage is lowered, and the sub-threshold leakage current in an off state tends to be remarkable. This increase in the leak current of the cell transistor is undesirable because it causes the refresh cycle to be shortened.
[0004]
In order to prevent such a sub-threshold leakage current, the off-state word line potential of the N-type cell transistor may be changed from the conventional ground potential to a negative potential. By setting the word line potential to a negative potential, a cell transistor having a low threshold voltage is reliably turned off to prevent the leak current. Alternatively, as another leakage current prevention method, it is conceivable to control the word line potential to a negative potential (ON state) and an external positive power supply potential (OFF state) using a P-type cell transistor. By controlling to the internal positive power supply potential, the P-channel type cell transistor is reliably turned off, and the above-described leakage current is prevented.
[0005]
In order to supply such a negative potential, it is necessary to internally generate a negative power supply. Such an internal negative power supply is generated by a charge pump circuit, similarly to the back bias power supply. That is, by absorbing the charge by the clock generated by the oscillation circuit, a power supply having a negative potential lower than the ground potential is generated. A charge pump control circuit for monitoring the internal negative power supply potential is provided, and the internal negative power supply potential is maintained at a constant value by controlling the operation of the oscillation circuit of the charge pump circuit. The above conventional example is described in, for example, Patent Document 1 below.
[0006]
[Patent Document 1]
Satoshi Eto et al. , "A1 Gb SDRAM with Ground Level Pre-charged Bit Line and Non-Boosted 2.1V Word Line", ISSCC Digest of Technical Papers, pp. 82-83. , 1998
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the potential of the external power supply fluctuates higher than the rated potential, the potential difference between the external power supply potential and the internal negative power supply potential increases, and the gate insulating film of the word driver transistor may be destroyed. Also, when the cell transistor is a P-type transistor, the potential difference between the external power supply potential and the negative power supply potential may be widened, which may cause the gate insulating film of the cell transistor to be destroyed. When the external power supply rises, the internal positive power supply potential generated from the external power supply also rises slightly, and when the internal negative power supply potential is kept constant from the ground potential, the potential difference between the internal positive power supply potential and the negative power supply potential also widens. Therefore, there is a possibility that the gate insulating film of the internal transistor is broken. Further, when the external power supply rises, the cycle of the oscillator of the circuit that generates the boosted power supply becomes shorter, and the level of the boosted power supply rises. This leads to the risk that the gate insulating film of the transistor of the word driver is broken when the word line is driven by the boost power supply.
[0008]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a negative power supply generating circuit for generating a shallower negative power supply in accordance with an increase in the potential of an external power supply, and a semiconductor memory having the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, one aspect of the present invention is to supply a negative power supply to an external power supply and a ground power supply, and to generate a negative power supply lower than the ground power supply at the negative power supply terminal by absorbing a charge from the negative power supply terminal. A charge pump circuit,
The potential of the negative power supply terminal is monitored, and when the external power supply has a predetermined rated potential, the charge pump circuit is controlled between an operating state and a non-operating state so as to maintain the negative power supply potential at a first level. A charge pump control circuit,
The charge pump control circuit controls the charge pump circuit so as to maintain the negative power supply potential at a second level shallower than the first level when the external power supply rises higher than a rated potential. Features.
[0010]
According to the aspect of the present invention, the charge pump control circuit controls the negative power supply potential to the second level shallower (higher) than the normal first level when the external power supply rises above the rated potential. In addition, it is possible to prevent a cell transistor, a transistor of a word driver, and the like from being damaged by a gate insulating film.
[0011]
According to a preferred embodiment of the present invention, the charge pump control circuit includes a reference voltage generation circuit that is supplied with an external power supply and generates a reference voltage that increases in accordance with the rise of the external power supply. When the negative power supply potential rises above a predetermined level with respect to the reference voltage, activates the charge pump circuit; when the negative power supply potential falls below a predetermined level, deactivates the charge pump circuit; The charge pump circuit switches between an operating state and a non-operating state when the negative power supply potential becomes a level shallower than the predetermined level.
[0012]
Since the reference voltage generation circuit generates the reference voltage from the external power supply and the ground power supply, when the external power supply rises, the reference voltage also rises, and accordingly, the negative power supply potential for switching the operation state and the non-operation state of the charge pump circuit. The level rises to generate a shallower level of negative power supply potential.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, such embodiments do not limit the technical scope of the present invention.
[0014]
FIG. 1 is a diagram showing a power generation circuit group of a semiconductor memory. The dynamic semiconductor memory drives the word line potential to a boosted power supply Vpp higher than the external power supply VDD in order to sufficiently conduct the cell transistors. In addition, an internal positive power supply Vii lower than the external power supply VDD is used as a cell array power supply for power saving. Then, in the present embodiment, an internal negative power supply VNN lower than the ground power supply is generated. This internal negative power supply VNN is a negative power supply different from the back bias power supply applied to the semiconductor substrate.
[0015]
The boosted power supply generating circuit 1 that generates the boosted power supply Vpp has an oscillation circuit OSC1 and a Vpp pump circuit 10 that supplies a charge supplied from the external power supply VDD to the boosted power supply terminal Vpp by a clock CLK1 generated by the oscillator OSC1. Then, the boosted power supply Vpp is set higher than the external power supply VDD. The boosted power supply Vpp is monitored by a boosted power supply level monitoring circuit (not shown), and the boosted power supply level monitoring circuit controls the oscillation circuit OSC1 such that the level of the boosted power supply Vpp is maintained at a predetermined level higher than the external power supply VDD. . When the level of the external power supply VDD rises, the cycle of the oscillation circuit becomes shorter, the pumping operation of the pump circuit 10 becomes active, and the boosted power supply level tends to rise.
[0016]
The internal positive power supply Vii is generated by the internal positive power supply generation circuit 2. The internal positive power supply generation circuit 2 generates a constant gate voltage Vg from the external power supply VDD, and applies the gate voltage Vg to the gate. The internal positive power supply generation transistor 14 has a drain connected to the external power supply VDD and an internal positive power supply Vii generated from the source. The internal positive power supply Vii is maintained at a constant level lower than the gate voltage Vg by the threshold voltage of the transistor 14, and supplies current from the external power supply VDD. When the internal positive power supply Vii decreases, the transistor 14 becomes more conductive, and current is supplied from the external power supply VDD, thereby preventing the level of the internal positive power supply Vii from lowering. Further, when the level of the internal positive power supply Vii rises to some extent such as when the memory enters a sleep state, the transistor 14 becomes more non-conductive, the current supplied from the external power supply VDD decreases, and the rise of the internal positive power supply Vii is suppressed. You.
[0017]
Next, an internal negative power supply generation circuit 3 for generating an internal negative power supply VNN includes an oscillation circuit OSC2 for generating a clock CLK2, and a VNN pump circuit 16 for extracting a charge from the internal negative power supply terminal VNN to the ground power supply Vss by the clock CLK2. And a charge pump control circuit 18. The charge pump control circuit 18 monitors the level of the internal negative power supply VNN, activates the oscillation circuit OSC2 when the level of the internal negative power supply VNN becomes shallower than a predetermined level, and activates the oscillation circuit when the level of the internal negative power supply VNN becomes deeper than the predetermined level. Inactive. As described above, the internal negative power supply generation circuit 3 controls the pumping operation of the pump circuit 16 by controlling the operation state of the oscillation circuit OSC2 according to the level of the internal negative power supply VNN, and controls the internal negative power supply VNN to a predetermined level. Maintain at a negative level. This detailed circuit will be described later.
[0018]
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between power supplies in a semiconductor memory. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage level. At time zero, the external power supply VDD is not turned on. When the external power supply VDD is turned on at time zero, the external power supply VDD rises and rises to a predetermined rated voltage level. With the rise of the external power supply VDD, both the internally generated boosted power supply Vpp and the internal positive power supply Vii rise, and the boosted power supply Vpp becomes a predetermined level higher than the external power supply VDD. It rises to a level lower than the external power supply VDD. Further, the internal negative power supply VNN becomes lower than the ground power supply Vss and rises to a predetermined negative potential level with the rise of the external power supply VDD. That is, when the external power supply VDD is turned on, a boosted power supply Vpp, an internal positive power supply Vii, and an internal negative power supply VNN are generated inside the semiconductor memory.
[0019]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a semiconductor memory. In this semiconductor memory, a memory cell including a cell transistor MC and a capacitor Cm is provided at an intersection of a word line WL and a bit line BL. The cell transistor MC is an N-channel transistor, the word line WL is driven by the boosted power supply Vpp or the internal negative power supply VNN by the transistors 20 and 21 of the word driver WD, and the bit line BL is driven by the sense amplifier SA to the internal positive power supply Vii or ground. Driven by power supply Vss. By driving the word line WL connected to the gate of the cell transistor MC to the boosted power supply Vpp, the cell transistor MC is sufficiently turned on. By driving the word line WL to the internal negative power supply VNN, the cell transistor MC is completely turned off. It becomes non-conductive. That is, by setting the level of the non-selected word line to a negative potential, the sub-threshold leakage current of the cell transistor in the non-selected state can be suppressed.
[0020]
FIG. 4 is a diagram illustrating another example of the semiconductor memory. In this example, the cell transistor MC is formed of a P-channel transistor, and the word line WL is driven to the external power supply VDD or the internal negative power supply VNN by the word driver WD. The bit line BL is driven to the internal positive power supply Vii or the ground power supply Vss by the sense amplifier SA. When the cell transistor MC is a P-channel transistor, the word line WL can be set to the external power supply VDD and the cell transistor can be completely turned off in a non-selected state. In the selected state, the cell transistor can be made more conductive by setting the word line WL to the internal negative power supply VNN.
[0021]
In the example of FIG. 3, a boosted power supply level selection signal RD is applied to the gate of the transistor 21 of the word driver WD, and a boosted power supply Vpp and an internal negative power supply VNN are applied between the gate and source of the transistor 21. You. An internal negative power supply VNN and an internal positive power supply Vii are applied between the gate and the drain of the cell transistor MC. In the example of FIG. 4, the external power supply VDD and the internal negative power supply VNN are applied between the gate and the source of the transistor 23 of the word driver, and the internal negative power supply VNN and the internal positive power supply are applied between the gate and the drain of the cell transistor MC. The power supply Vii is applied.
[0022]
As described above, the internal negative power supply VNN is employed to prevent a sub-threshold leakage current. However, the voltage difference between the internal negative power supply VNN and the external power supply VDD, the internal negative power supply VNN and the internal positive power supply Vii, and the booster When the voltage difference from the power supply Vpp increases, the gate insulating film of the internal transistor may be broken.
[0023]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the internal negative power supply generation circuit. The VNN pump circuit 16 includes a pump capacitor Cp, a transistor 25 provided between the ground power supply Vss and the node 24 of the pump capacitor Cp, and a transistor 26 provided between the internal negative power supply VNN and the node 24. And The gates and the drains of the transistors 25 and 26 are both connected, and operate as diodes. The VNN pump circuit 16 and the oscillator OSC2 form a charge pump circuit.
[0024]
In this charge pump circuit, in response to the rise of the clock CLK2 generated by the oscillator OSC2, the node 24 also rises due to the capacitive coupling of the capacitor Cp, the transistor 26 becomes non-conductive in the reverse direction, and the ground power supply Vss Charge is extruded. In response to the subsequent fall of the clock CLK2, the transistor 25 is turned off in the reverse direction, so that electric charge is drawn from the negative power supply terminal VNN via the transistor 26. By repeating this, the potential of the negative power supply VNN becomes lower than the ground power supply Vss. When the oscillator OSC2 is in the operating state, the internal negative power supply VNN is made lower than the ground power supply by the above-described pumping operation using the clock CLK2. However, when the oscillator OSC2 is in the non-operating state, the clock CLK2 stops and the pumping operation stops.
[0025]
The charge pump control circuit 18 includes a three-stage CMOS inverter. The P-channel transistor 30 of the first-stage CMOS inverter has a source connected to the external power supply VDD, a gate connected to the reference node S39, and a drain connected to the N-channel transistor 31. Is done. The N-channel transistor 31 has a source connected to the internal negative power supply VNN and a gate connected to the reference node S39. The reference node S39 is connected to the ground power supply Vss. The output S18 of the final-stage CMOS inverter is supplied to the oscillator OSC2 as a control signal.
[0026]
FIG. 6 is an operation waveform diagram showing the operation of the charge pump control circuit 18. The horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage. At time zero, when the external power supply VDD rises, the P-channel transistor 30 becomes conductive accordingly, and the node 36 rises with the rise of the external power supply VDD. At this time, the node 37 goes low and the control node S18 goes high, the oscillator OSC2 is controlled to an operating state, and the pumping operation of the pump circuit 16 lowers the internal negative power supply VNN to a level lower than the ground potential.
[0027]
Since the gate of the N-channel transistor 31 of the first-stage CMOS inverter is connected to the ground potential and the source is connected to the internal negative power supply VNN, when the internal negative power supply VNN falls to a predetermined level with respect to the ground potential of the reference node S39, The transistor 31 is turned on. As a result, node 36 is at a level determined by the on-resistance ratio of transistors 30 and 31. In this example, the transistors are designed such that when both transistors conduct, node 36 is at ground level. With the switching of the node 36 to the ground level, the CMOS inverters of the second and third stages are inverted, the node 37 goes to H level to follow the external power supply VDD, and the control node S18 goes to L level. Flip to Due to the inversion of control node S18, oscillator OSC2 is controlled to a non-operating state, and the level of internal negative power supply VNN is maintained at a level lower than the ground potential by a predetermined level.
[0028]
However, when the internal negative power supply VNN becomes shallower than a predetermined level due to the operation of an internal circuit or the like, the transistor 31 is turned off again, the control node S18 goes to the H level, the oscillator OSC2 is activated, and the pumping operation is restarted. Thus, the operation of extracting charges is repeated until the internal negative power supply VNN falls to a predetermined level.
[0029]
A problem of the pump control circuit 18 shown in FIG. 5 is that the reference node S39 is connected to the ground potential Vss, so that when the external power supply VDD rises above the rated level, the internal negative power supply VNN switches between the conductive state and the non-conductive state when the transistor 31 switches to the conductive state. The level is going to be deeper. That is, when the external power supply VDD rises, the transistor 30 becomes conductive more deeply, and its on-resistance decreases. Therefore, the level of the node 31 will not be inverted unless the internal negative power supply VNN is at a deeper level and the transistor 31 is made deeper to conduct. That is, as the external power supply VDD increases, the internal negative power supply VNN is controlled to a deeper level.
[0030]
Furthermore, when the external power supply VDD rises above the rated level, the oscillation frequency of the oscillator OSC2 increases, the pumping operation becomes more active, and the level of the internal negative power supply VNN becomes deeper.
[0031]
An increase in the external power supply VDD causes a slight increase in the levels of the internally generated boosted power supply Vpp and the internal positive power supply Vii. In conjunction with the decrease in the internal negative power supply VNN, the voltage difference between Vpp and VNN and the voltage difference between Vii and VNN become larger, and the gate insulating film of the internal transistor is destroyed.
[0032]
FIG. 7 is a diagram showing an internal negative power supply generation circuit according to the present embodiment. FIG. 8 is an operation waveform diagram thereof. The internal negative power supply generating circuit of the present embodiment has the same oscillator OSC2 as in FIG. 5, a pump circuit 16, and a control circuit 18 thereof, and further sets the reference node level S39 in response to the rise of the external power supply VDD. It has a reference voltage generating circuit 50 for raising.
[0033]
Although the reference node S39 is fixed to the ground power supply Vss in the circuit of FIG. 5, in FIG. 6, since the level between the external power supply VDD and the ground power supply Vss is divided by the resistors R3 and R4, the external power supply VDD is used. Rise above the ground level as the rises above the rated level.
[0034]
As shown in the operation waveform diagram of FIG. 8, when the power supply VDD is turned on, the power supply VDD rises, the nodes 36 and the control node S18 also rise, and the oscillator OSC2 enters an operating state, and the internal negative power supply VNN is activated by the pumping operation. Decreases. Eventually, the transistor 31 becomes conductive, the node 36 goes down to the ground level, the control node S18 goes low, the oscillator goes into an inactive state, and the level drop of the internal negative power supply VNN stops. Up to this point, it is the same as the circuit of FIG. In this state, the reference node level generation circuit 50 determines that the voltage V1 obtained by dividing the external power supply VDD by the resistors R1 and R2 is lower than the reference voltage Vref, the output N40 of the comparator 40 is H level, and the output N41 of the inverter 41 is L level. , And the transistor 42 is off. Therefore, the level of reference node S39 is maintained at the level of ground power supply Vss.
[0035]
At a certain time, when the external power supply VDD rises above the rated voltage, the voltage V1 divided by the resistors R1 and R2 rises, the output of the comparator 40 is inverted, and the output N41 of the inverter 41 becomes H level, The channel transistor 42 is turned on. Therefore, the reference node S39 has the external power supply VDD at a voltage division level based on the on-resistance of the transistor 42 and the resistors R3 and R4, and rises to the positive voltage side following the rise of the external power supply VDD. As the reference node S39 rises, the internal negative power supply level at which the transistor 31 of the control circuit 18 is inverted rises. Specifically, the internal negative power supply level increases from the increased level of reference node S39 to a level lower by the threshold voltage of transistor 31. That is, when the external power supply VDD rises, the level of the internal negative power supply VNN is controlled to be shallower accordingly. Accordingly, it is possible to suppress or prevent the internal transistor from being caused to have gate insulation breakdown due to the level of the internal negative power supply VNN becoming too deep.
[0036]
FIG. 9 is a diagram showing another internal negative power supply generating circuit according to the present embodiment. FIG. 10 is an operation waveform diagram thereof. The internal negative power supply generation circuit of FIG. 9 has the same oscillator OSC2, pump circuit 16, and control circuit 18 as those of FIG. 7, and the reference node level generation circuit 50 is different from that of FIG. The reference node level generating circuit 50 includes a plurality of diode-connected transistors 51 to 53 and a resistor R5 connected in cascade between an external power supply VDD and a ground power supply Vss, and a connection point between the resistor R5 and the transistor 53. Are connected to the reference node S39.
[0037]
The operation of the reference node level generation circuit 50 is simple. When the external power supply VDD rises, the level of the reference node S39 is maintained at a level lower than the external power supply VDD by the total value nVth of the threshold voltages of the transistors 51 to 53. You. Therefore, as shown in FIG. 10, when the external power supply VDD rises above the rated level, the reference node S39 also rises at the level of VDD-nVth accordingly. As the level of the reference node S39 rises, the level of the internal negative power supply VNN is controlled so as to be shallower. That is, the internal negative power supply VNN is maintained at a level lower than the reference node S39 by the threshold voltage of the transistor 31. As a result, the voltage difference dV between the external power supply VDD and the internal negative power supply VNN is suppressed to a predetermined level difference or less.
[0038]
Thus, even if the external power supply VDD rises, the internal negative power supply VNN is prevented from becoming deeper, and the level difference dV between the external power supply VDD and the internal negative power supply VNN is also prevented from increasing beyond a predetermined level. Controlled. Therefore, the transistor inside the semiconductor memory is prevented from being damaged by the gate insulating film.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the internal negative power supply is prevented from becoming deeper due to the rise of the external power supply.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a power generation circuit group of a semiconductor memory.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between power supplies in a semiconductor memory;
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a semiconductor memory.
FIG. 4 is a diagram showing another example of the semiconductor memory.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an internal negative power supply generation circuit.
6 is an operation waveform diagram of FIG.
FIG. 7 is a diagram showing an internal negative power supply generation circuit according to the present embodiment.
8 is an operation waveform diagram of FIG.
FIG. 9 is a diagram showing another internal negative power supply generation circuit according to the present embodiment.
FIG. 10 is an operation waveform diagram of FIG.
[Explanation of symbols]
3 Internal negative power supply generation circuit, OSC2 oscillator, 16 pump circuit, 18 charge pump control circuit, 50 reference voltage generation circuit

Claims (7)

外部電源と接地電源を供給され、負電源端子からチャージを吸収することにより当該負電源端子に前記接地電源より低い内部負電源を生成するチャージポンプ回路と、
前記負電源端子の電位を監視して、前記外部電源が所定の定格電位の時は、前記負電源電位を第1のレベルに保つように前記チャージポンプ回路を動作状態と非動作状態とに制御するチャージポンプ制御回路とを有し、
当該チャージポンプ制御回路は、前記外部電源が定格電位よりも高く上昇する時は、前記負電源電位を前記第1のレベルより浅い第2のレベルに保つように前記チャージポンプ回路を制御することを特徴とする内部負電源生成回路。
A charge pump circuit that is supplied with an external power supply and a ground power supply, and generates an internal negative power supply lower than the ground power supply at the negative power supply terminal by absorbing a charge from the negative power supply terminal;
The potential of the negative power supply terminal is monitored, and when the external power supply has a predetermined rated potential, the charge pump circuit is controlled between an operating state and a non-operating state so as to maintain the negative power supply potential at a first level. A charge pump control circuit that performs
The charge pump control circuit controls the charge pump circuit so as to maintain the negative power supply potential at a second level shallower than the first level when the external power supply rises higher than a rated potential. Characteristic internal negative power supply generation circuit.
請求項1において、
前記チャージポンプ制御回路は、前記外部電源が供給され当該外部電源の上昇に応じて上昇する基準電圧を発生する基準電圧発生回路を有し、
当該チャージポンプ制御回路は、前記基準電圧に対して前記内部負電源電位が所定レベルより上昇する時に、前記チャージポンプ回路を動作状態にし、前記負電源電位が前記所定レベルより低くなる時に、前記チャージポンプ回路を非動作状態にし、更に、前記基準電圧が上昇すると、前記負電源電位が前記所定レベルより浅いレベルになるとき、前記チャージポンプ回路を動作状態と非動作状態とに切り替えることを特徴とする内部負電源生成回路。
In claim 1,
The charge pump control circuit includes a reference voltage generation circuit that is supplied with the external power and generates a reference voltage that increases in accordance with an increase in the external power,
The charge pump control circuit activates the charge pump circuit when the internal negative power supply potential rises above a predetermined level with respect to the reference voltage, and when the negative power supply potential becomes lower than the predetermined level, Setting the pump circuit to a non-operating state, further switching the charge pump circuit between an operating state and a non-operating state when the reference voltage rises and the negative power supply potential becomes a level shallower than the predetermined level. Internal negative power supply generation circuit.
請求項2において、
前記チャージポンプ制御回路は、前記基準電圧に対して前記内部負電源電位が前記所定レベルより低くなるときに出力レベルを第1のレベルにし、前記基準電圧に対して前記内部負電源電位が前記所定レベルより高くなるときに出力レベルを第2のレベルにするCMOSインバータを有することを特徴とする内部電源生成回路。
In claim 2,
The charge pump control circuit sets an output level to a first level when the internal negative power supply potential is lower than the predetermined level with respect to the reference voltage, and sets the internal negative power supply potential to the predetermined level with respect to the reference voltage. An internal power supply generating circuit, comprising: a CMOS inverter for setting an output level to a second level when the level is higher than the level.
請求項2において、
前記基準電圧発生回路は、前記外部電源の上昇に応答して反転するコンパレータと、前記コンパレータの反転により導通する出力トランジスタと、前記外部電源に当該出力トランジスタを介して接続された複数のインピーダンス手段とを有し、当該複数のインピーダンス手段の接続点に前記基準電圧が生成されることを特徴とする内部電源生成回路。
In claim 2,
The reference voltage generation circuit includes a comparator that inverts in response to a rise in the external power supply, an output transistor that conducts by inverting the comparator, and a plurality of impedance units connected to the external power supply via the output transistor. And wherein the reference voltage is generated at a connection point of the plurality of impedance means.
請求項2において、
前記基準電圧発生回路は、前記外部電源に一旦が接続された所定段数のダイオード回路を有し、当該ダイオード回路の他端に前記基準電圧を出力することを特徴とする内部電源生成回路。
In claim 2,
The internal power supply generation circuit according to claim 1, wherein the reference voltage generation circuit includes a predetermined number of diode circuits once connected to the external power supply, and outputs the reference voltage to the other end of the diode circuit.
請求項1において、
前記チャージポンプ回路は、発振器と、前記発振器が生成するクロックにより前記負電源端子からチャージを吸収するポンプ回路とを有することを特徴とする内部電源生成回路。
In claim 1,
The internal power generation circuit according to claim 1, wherein the charge pump circuit includes an oscillator and a pump circuit that absorbs a charge from the negative power supply terminal according to a clock generated by the oscillator.
複数のワード線と複数のビット線と、それらの交差位置に設けられたメモリセルとを有する半導体メモリにおいて、
請求項1乃至6のいずれかに記載された内部電源生成回路と、
前記ワード線を前記内部負電源に駆動するワードドライバとを有することを特徴とする半導体メモリ。
In a semiconductor memory having a plurality of word lines, a plurality of bit lines, and memory cells provided at intersections thereof,
An internal power supply generation circuit according to any one of claims 1 to 6,
And a word driver for driving the word line to the internal negative power supply.
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