JP2005267712A - 不揮発性半導体記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 広い範囲の電源電圧で使用できる不揮発性半導体記憶装置を提供する。
【解決手段】 電源電圧Vccより高い電圧を印加してデータの書き込み/消去をおこなうメモリセルアレイ11と、クロック信号により駆動されて電源電圧Vccを昇圧し、昇圧された電圧Vppをメモリセルアレイ11に出力する昇圧手段14と、昇圧手段14を駆動するクロック信号発生手段15と、電源電圧Vccのレベルを検知し、検知信号Voutをクロック信号発生手段15に出力する電源電圧検知手段16とを具備する。
電源電圧Vccのレベルに応じて、クロック信号の周波数を切り替えて昇圧回路14の電流駆動能力が調整する。電源電圧Vccが基準電圧Vref1より高い場合に低いクロック周波数f2に、低い場合に高いクロック周波数f1に切り替わる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に係り、特にデータの書き込み/消去に必要な電源電圧より高い電圧を発生させる昇圧回路を有する不揮発性半導体記憶装置に関する。
不揮発性半導体記憶装置、例えばEEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)へのデータの書き込み/消去は、メモリセルに電源電圧より高い電圧、通常10V以上の高電圧を印加して電荷蓄積層の電荷量を制御することによりおこなわれている。
このため、チップ内部に電源電圧を昇圧する昇圧回路を搭載し、昇圧した電圧によりメモリセルのロウデコーダを駆動する不揮発性半導体記憶装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に開示された不揮発性半導体記憶装置について図を用いて説明する。図11は、この不揮発性半導体記憶装置の構成を示すブロック図である。
図11に示すように、不揮発性半導体記憶装置100は電源電圧Vccを昇圧してメモリセルアレイ101のロウデコーダに昇圧出力電圧Vppを供給する昇圧回路102と、昇圧回路102を駆動するクロック信号を発生させるクロック信号発生回路103と、昇圧出力電圧Vppを検知し、昇圧出力電圧Vppが上昇し過ぎた場合に検知信号をクロック信号発生回路103に出力するVpp検知回路104とを有している。
昇圧回路102は、複数段のチャージポンプ回路を有している。クロック信号発生回路103は、RCディレイ回路とインバータとをリング状に接続したリングオシレータを有し、更に、発振を制御するためにProg、Erase、KVppの各制御信号入力端子を有している。
Vpp検知回路104は、昇圧出力電圧Vppが所定の電圧を超えるとKVppを“H”とし、所定の電圧より低下するとKVppを“L”にする。
書き込み時(Progが“H”)および消去時(Eraseが“H”)において、KVppが“L”のときにのみクロック信号Ringか出力され、このクロック信号Ringにより昇圧回路102は昇圧を開始する。
昇圧出力電圧Vppが所定の電圧を超えると、クロック信号発生回路103はクロック信号の発振を停止するので、昇圧回路102は昇圧を停止する。この結果、昇圧出力電圧Vppは負荷電流に応じて下降し始める。
昇圧出力電圧Vppが所定の電圧より低下してKVppが“L”になるとクロック発生回路103は再び発振を始めるので、昇圧回路102は間欠的に昇圧と停止を繰り返す。
または、昇圧出力電圧Vppが所定の電圧を超えると、クロック発生回路103はクロック信号の周波数を低くするので、昇圧回路102の駆動能力が低下する。
これらにより、昇圧出力電圧Vppに対してフィードバックが働くので、昇圧出力電圧Vppは一定の範囲に保たれている。
近年、半導体装置の微細化の進展により電源電圧が低電圧化し、同種の半導体装置でも電源電圧が異なる、例えば3.3V、1.8Vの半導体装置が使用されている。
これに伴い、CPUなどの外部記憶装置として使用される不揮発性半導体記憶装置では、電源電圧が異なる半導体装置に合わせて広い範囲の電源電圧で使用できることが望まれている。
然しながら、従来の不揮発性半導体記憶装置では所定の電源電圧で使用する時に動作を保証するように設計されているので、異なる電源電圧で使用する場合に、次の様な問題があった。
即ち、所定の電源電圧より高い電源電圧で使用する場合に、昇圧回路は必要以上の電流駆動能力を有するので、電力が無駄に消費される問題がある。反対に、所定の電源電圧より低い電源電圧で使用する場合に、昇圧回路の電流駆動能力が不足するので、データの書き込み/消去に時間を要するという問題がある。
特開平6−96593号公報(4−6頁、図1)
本発明は、広い範囲の電源電圧で使用できる不揮発性半導体記憶装置を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の一態様の不揮発性半導体記憶装置では、電源電圧より高い電圧を印加してデータの書き込み/消去をおこなうメモリセルアレイと、クロック信号により駆動されて前記電源電圧を昇圧し、昇圧された電圧をメモリセルアレイに出力する昇圧手段と、前記昇圧手段を駆動するクロック信号発生手段と、前記電源電圧のレベルを検知し、検知信号を前記クロック信号発生手段に出力する電源電圧検知手段とを具備し、前記電源電圧のレベルに応じて、前記クロック信号の周波数を切り替えることを特徴としている。
本発明によれば、電源電圧のレベルに応じて、クロック信号発生手段のクロック周波数を切り替えるようにしたので、昇圧手段の電流駆動能力が調整できる。
これにより、所定の電源電圧と異なる電源電圧で使用しても無駄な電力の消費を抑え、十分な動作速度が得られる。従って、広い範囲の電源電圧で使用できる不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1乃至図7は本発明の実施例に係る不揮発性半導体記憶装置を示す図で、図1はその構成を示すブロック図、図2は電源電圧検知手段の構成を示す回路図、図3はクロック信号発生手段の構成を示すブロック図、図4はクロック信号発生手段のディレイ回路の構成を示す回路図、図5はクロック信号発生手段のクロック信号発生回路の構成を示す回路図、図6はクロック信号発生回路の動作を示すタイミングチャート、図7は昇圧手段の構成を示す回路図である。
図1に示すように、不揮発性半導体記憶装置10はメモリセルアレイ11と、電源電圧Vccを昇圧してメモリセルアレイ11に昇圧出力電圧Vppを供給する高電圧発生回路12と、昇圧出力電圧Vppを一定の範囲に保持するために昇圧出力電圧Vppを検知して高電圧発生回路12にフィードバックするVpp検知回路13とを有している。
高電圧発生回路12は、電源電圧を昇圧する昇圧手段14と、昇圧手段14を駆動するためのクロック信号CLKを発生するクロック信号発生手段15と、電源電圧Vccのレベルを検知し、その検知信号Voutをクロック信号発生手段15に出力する電源電圧検知手段16とを有している。
図2に示すように、電源電圧検知手段16は、例えば2つのp−MOSトランジスタ21、22と2つのn−MOSトランジスタ23、24を有し、p−MOSトランジスタ21とn−MOSトランジスタ23の直列接続と、p−MOSトランジスタ22とn−MOSトランジスタ24の直列接続が並列接続されている。
ゲートG21、G22はソースS21に共通に接続され、ドレインD21、D22は電源Vddに共通に接続され、ソースS23、S24はn−MOSトランジスタ25を介して電源Vssに共通に接続されている。
ゲートG23は基準電圧Vref1の出力端(図示せず)に接続され、ゲートG24は電源電圧Vccに比例した比較電圧Vaの出力端(図示せず)に接続され、ゲートG25はVpp検知回路13の出力端(図示せず)に接続されている。
電源電圧検知手段16は、n−MOSトランジスタ23、24のうち、ゲート電圧の大きいn−MOSトランジスタがオンになるので、基準電圧Vref1と比較電圧Vaの大小を比較し、比較電圧Vaが基準電圧Vref1より小さい場合に電源電圧レベルの検知信号Voutを“H”とし、比較電圧Vaが基準電圧Vref1より大きい場合に検知信号Voutを“L”とする電圧をソースS22に出力する。
即ち、電源電圧が所定の電源電圧より高い場合に、“L”の検知信号Voutが得られ、所定の電源電圧より低い場合に、“H”の検知信号Voutが得られる。
ここで、n−MOSトランジスタ25はVpp検知回路13の出力が“L”の場合に、オフとなり、電源電圧検知手段16の消費電流を削減している。
次に、図3に示すように、クロック信号発生手段15は、リングオシレータ31と、クロック信号発生回路32を有している。
リングオシレータ31はインバータ回路33a〜33hとNANDゲート回路34を有し、インバータ回路33a〜33hがNANDゲート回路34を介してリング状に接続されている。
インバータ回路33a〜33hは、入力端にディレイ回路が接続された2つのインバータを直列接続したもので、例えばインバータ回路33aは、入力端にディレイ回路35aが接続されたインバータ36aと入力端にディレイ回路35bが接続されたインバータ36bが直列接続されている。
リングオシレータ31は、書き込み/消去時において作動を指令するイネーブル信号ENAが“L”の時に、正帰還により閉ループのディレイ時間に対応した周波数で発振し、インバータ回路33a、33c、33d、33hの出力信号を順次位相が遅れたリングオシレータ出力信号A〜Dとしてクロック信号発生回路32へ出力している。
クロック信号発生回路32はリングオシレータ出力信号A〜Dに基づいてクロック信号CK1〜CK4を出力し、このクロック信号により昇圧手段14を駆動する。
次に、図4に示すように、ディレイ回路35aは、例えばスイッチ素子SW1〜SW3と、抵抗R1とキャパシタC1とを備えたRCディレイ回路40を有し、スイッチ素子SW1、RCディレイ回路40、SW2の直列接続にスイッチ素子SW3が並列接続されている。
スイッチ素子SW1はp−MOSトランジスタ41のドレインD41とn−MOSトランジスタ42のドレインD42が接続され、ソースS41とソースS42が接続され、ゲート41とゲートG42がインバータ43を介して接続されている。
ゲート41とゲートG42にはインバータ43を介して逆相のゲート電圧が印加されるので、p−MOSトランジスタ41とn−MOSトランジスタ42は、ゲート電圧を印加することによって同時にオンまたはオフされる。
抵抗R1は、例えばイオン注入により形成された拡散抵抗で、キャパシタC1はn−MOSトランジスタ44を有し、ゲートG44が抵抗R1とスイッチ素子SW2の接続点aに接続され、ソースS44およびドレインD44が電源Vssに接続されている。
従って、検知信号Voutが“L”の場合に、スイッチ素子SW1、SW2がともにオンになり、スイッチ素子SW3がオフになる。反対に、検知信号Voutが“H”の場合に、スイッチ素子SW1、SW2がともにオフになり、スイッチ素子SW3がオンになる。
その結果、検知信号Voutが“L”の場合に、RCディレイ回路40がインバータ36aの入力端に接続されてディレイ回路35aのディレイ時間は長くなり、検知信号Voutが“H”の場合に、RCディレイ回路40がインバータ36aの入力端から切り離されてディレイ回路35aのディレイ時間は短くなる。
次に、図5に示すように、クロック信号発生回路32は、例えばNORゲート回路51a、51bと、インバータ52a〜52fと、NANDゲート回路53a、53bとを有している。
NORゲート回路51aとインバータ52aが直列接続され、NANDゲート回路53aとインバータ52b、52cが直列接続され、NORゲート回路51aとNANDゲート回路53aの一方の入力端はリングオシレータ出力信号Aの出力端に共通に接続され、他方の入力端はリングオシレータ出力信号Bの出力端に共通に接続されている。
同様に、NANDゲート回路53bとインバータ52dが直列接続され、NORゲート回路51bとインバータ52e、52fが直列接続され、NORゲート回路51bとNANDゲート回路53bの一方の入力端はリングオシレータ出力信号Cの出力端に共通に接続され、他方の入力端はリングオシレータ出力信号Dの出力端に共通に接続されている。
次に、図6に示すように、クロック信号発生回路32はリングオシレータ出力信号A〜Dが入力されると、インバータ52a、52c、52d、52fからクロック信号CK1〜CK4が出力される。
即ち、インバータ回路33aの遅延時間を単位時間ΔTとすると、リングオシレータ出力信号A〜DはT0、T2、T3、T7でそれぞれ立ち上がり、周波数1/(14ΔT)で発振している。
これにより、クロック信号CK1はリングオシレータ出力信号AとBの論理和なので、リングオシレータ出力信号Aが立ち上がるT0で立ち上がり、リングオシレータ出力信号Bが立ち下がるT10で立ち上がり、周波数が等しい信号になる。
また、クロック信号CK2はリングオシレータ出力信号AとBの論理積の否定なので、リングオシレータ出力信号AとBがともに“H”であるT3〜T7の間で“L”になり、周波数の等しい信号になる。クロック信号CK3、CK4においても同様であり、その説明は省略する。
次に、図7に示すように、昇圧手段14は、例えば4段のチャージポンプ回路である。始に、クロック信号CK1が“L”の時には電源Vccからダイオード接続されたn−MOSトランジスタ71を通ってキャパシタC2がチャージされる。
次に、クロック信号CK1が“H”の時に、クロック信号CK3が“H”になるとキャパシタC3の電位が上昇しMOSトランジスタ72がオンになるので、キャパシタC2にチャージされた電荷がMOSトランジスタ72を通ってキャパシタC4に移動する。
次に、クロック信号CK2が“H” になるとキャパシタC4の電位が上昇しMOSトランジスタ73がオンになるので、電源Vccからダイオード接続されたn−MOSトランジスタ71を通ってキャパシタC3がチャージされる。これを次々と繰り返すことにより、昇圧された出力電圧Vppが得られる。
次に、電源電圧レベルに応じてクロック信号の周波数を変え、昇圧手段14の電流駆動能力を調整する動作について図8乃至図10を用いて詳しく説明する。図8は電源電圧のレベルとクロック信号の周波数の関係を示す図、図9は電源電圧が所定の電圧より高い場合に、クロック信号と昇圧出力電圧Vppの関係を示す図、図10は電源電圧が所定の電圧より低い場合に、クロック信号と昇圧出力電圧Vppの関係を示す図である。
図8に示すように、電源電圧Vccが基準電圧Vref1、例えば2.5Vより低い場合には高いクロック周波数f1に設定され、電源電圧Vccが基準電圧Vref1より高い場合には低いクロック周波数f2に設定され、電源電圧のレベルに応じてクロック周波数が切り替えられる。
次に、図9(a)に示すように、電源電圧Vccが基準電圧Vref1より高い電圧、例えば3.3Vの場合は、低いクロック周波数f2に切り替わり、クロック信号aに対して昇圧出力電圧Vppは出力電圧bのように立ち上がる。
出力電圧bが基準電圧、例えば18Vを超えるとクロック信号aは停止され、出力電圧bが基準電圧より低下すると再びクロック信号aが与えられ、出力電圧bは再び上昇する。この動作を繰り返すことにより、出力電圧bは一定の範囲に保たれている。
即ち、電源電圧Vccが3.3Vの場合に、低いクロック周波数f2に切り替わるので、昇圧手段14の電流駆動能力が低くなり、無駄な電力の消費を抑えることが可能である。
仮に、図9(b)に示すように、クロック信号が破線で示した高いクロック周波数f1のクロック信号cの場合には、昇圧出力電圧Vppは破線で示した出力電圧dのように立ち上がる。クロック周波数が高くなると昇圧手段14の電流駆動能力が大きくなるので、出力電圧dは基準電圧を大きく超えてオーバーシュートΔVを生じ、斜線部で示す電力が無駄に消費されることになる。
次に、図10(a)に示すように、電源電圧Vccが基準電圧Vref1より低い電圧、例えば1.8Vの場合は、高いクロック周波数f1に切り替わり、クロック信号eに対して昇圧出力電圧Vppは出力電圧fのように立ち上がる。
出力電圧fが基準電圧、例えば18Vを超えるとクロック信号eは停止され、出力電圧fが基準電圧より低下すると再びクロック信号eが与えられ、出力電圧fは再び上昇する。この動作を繰り返すことにより、出力電圧fは一定の範囲に保たれている。
即ち、電源電圧Vccが1.8Vの場合に、高いクロック周波数f1に切り替わるので、昇圧手段14の電流駆動能力が高くなり、書き込み/消去時間の増加を抑えることが可能である。
仮に、図10(b)に示すように、クロック信号が破線で示した低いクロック周波数f2のクロック信号gの場合には、昇圧出力電圧Vppは破線で示した出力電圧hのように立ち上がる。クロック周波数が低くなると昇圧手段14の電流駆動能力が小さくなるので、基準電圧に至るまでに時間を要し、書き込み/消去時間が時間Δtだけ長くなることになる。
以上説明したように、本実施例の不揮発性半導体記憶装置10によれば、電源電圧Vccが基準電圧Vref1より高い場合にはクロック周波数は低いクロック周波数f1に切り替わり、電源電圧Vccが基準電圧Vref1より低い場合には高いクロック周波数f2に切り替わるので、電源電圧のレベルに応じて昇圧手段14の電流駆動能力を調整することができる。
これにより、書き込み/消去開始時の無駄な電力の消費を抑え、十分な動作速度が得られる。従って、広い範囲の電源電圧で使用できる不揮発性半導体記憶装置を提供することができる。
ここでは、ディレイ回路35aにディレイ素子として、抵抗R1とキャパシタC1を備えたRCディレイ回路40を用いた場合について説明したが、ディレイ回路35aには寄生抵抗および寄生キャパシタが存在するので、昇圧手段14の電流駆動能力を満たす範囲において抵抗またはキャパシタのいずれかだけでも構わない。
また、抵抗R1は拡散抵抗の場合について説明したが、抵抗素子としてMOSトランジスタを用いても構わない。
また、電源電圧のレベルが2値の場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電源電圧のレベルが3値であっても構わない。
本発明の実施例に係る不揮発性半導体記憶装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施例に係る電源電圧検知手段の構成を示す回路図 本発明の実施例に係るクロック信号発生手段の構成を示すブロック図。 本発明の実施例に係るディレイ回路の構成を示す回路図。 本発明の実施例に係るクロック信号発生回路の構成を示す回路図。 本発明の実施例に係るクロック信号発生回路の動作を示すタイミングチャート。 本発明の実施例に係る昇圧手段の構成を示す回路図。 本発明の実施例に係る電源電圧とクロック周波数の関係を示す図。 本発明の実施例に係る電源電圧が基準電圧より高い場合のクロック信号と昇圧出力電圧の関係を示す図。 本発明の実施例に係る電源電圧が基準電圧より低い場合のクロック信号と昇圧出力電圧の関係を示す図。 従来の不揮発性半導体記憶装置の構成を示すブロック図。
符号の説明
10 不揮発性半導体記憶装置
11 メモリセルアレイ
12 高電圧発生回路
13 Vpp検知回路
14 昇圧手段
15 クロック信号発生手段
16 電源電圧検知回路
21、22、41 p−MOSトランジスタ
23、24、25、42、44、71、72、73 n−MOSトランジスタ
31 リングオシレータ
32 クロック信号発生回路
33a、33b、33c、33d、33e、33f、33g、33h インバータ回路
34、53a、53b NANDゲート回路
35a、35b ディレイ回路
36a、36b、43、52a、52b、52c、52d、52e、52f インバータ
40 RCディレイ回路
51a、51b NORゲート回路
Va 比較電圧
Vcc 電源電圧
Vout 検知信号
Vref1 基準電圧
Vpp 昇圧出力電圧
ENA イネーブル信号
A、B、C、D リングオシレータ出力信号
SW1、SW2、SW3 スイッチ素子
CLK、CL1、CK2、CK3、CK4 クロック信号
C1、C2、C3、C4 キャパシタ
R1 抵抗

Claims (4)

  1. 電源電圧より高い電圧を印加してデータの書き込み/消去をおこなうメモリセルアレイと、
    クロック信号により駆動されて前記電源電圧を昇圧し、昇圧された電圧をメモリセルアレイに出力する昇圧手段と、
    前記昇圧手段を駆動するクロック信号発生手段と、
    前記電源電圧のレベルを検知し、検知信号を前記クロック信号発生手段に出力する電源電圧検知手段と、
    を具備し、
    前記電源電圧のレベルに応じて、前記クロック信号の周波数を切り替えることを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
  2. 前記電源電圧が所定のレベルより高い場合に低いクロック周波数に切り替え、前記電源電圧が所定のレベルより低い場合に高いクロック周波数に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。
  3. 前記クロック信号発生手段が、複数のインバータがリング状に接続されたリングオシレータを有し、前記インバータの入力端にディレイ時間の異なる第1ディレイ手段と第2ディレイ手段が前記電源電圧のレベルに応じて選択的に接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の不揮発性半導体記憶装置。
  4. 前記電源電圧が所定のレベルより高い場合に前記インバータの入力端にディレイ時間の長いディレイ手段が接続され、前記電源電圧が所定のレベルより低い場合に前記インバータの入力端にディレイ時間の短いディレイ手段が接続されていることを特徴とする請求項請求項3に記載の不揮発性半導体記憶装置。
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