JP2006230192A - 半導体メモリ装置のチャージポンプ回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】差動入出力タイプを有するクロスカップルタイプチャージポンプ回路を提供する。
【解決手段】半導体メモリ装置のチャージポンプ回路において、チャージポンプのために互いに反対の位相で印加される第1及び第2入力信号を受信し、第1及び第2出力端がカスコード接続構造を有するトランジスタに接続されるクロスカップルロード部と、電流ミラー構造を有し、第1,2出力端の電圧にそれぞれ独立的に応答して、カスコード接続構造を有するトランジスタのうち対応するトランジスタのバイアスを独立的に設定するバイアス設定部を備える。
【選択図】図1
【解決手段】半導体メモリ装置のチャージポンプ回路において、チャージポンプのために互いに反対の位相で印加される第1及び第2入力信号を受信し、第1及び第2出力端がカスコード接続構造を有するトランジスタに接続されるクロスカップルロード部と、電流ミラー構造を有し、第1,2出力端の電圧にそれぞれ独立的に応答して、カスコード接続構造を有するトランジスタのうち対応するトランジスタのバイアスを独立的に設定するバイアス設定部を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体メモリ装置のチャージポンプ回路に係り、特に差動入出力タイプのクロスカップルされたチャージポンプ回路に関する。
通常、DRAMなどのような揮発性半導体メモリ素子においては高電圧発生回路を採用している。高電圧発生器はウェハバーンインテストの際だけでなく、ノーマル動作モードでDRAMのワードラインを駆動するかまたはN型MOSトランジスタの使用に伴なうしきい電圧の損失を補償するための用途としても広く使用される。
バーンインテストは半導体メモリ素子に対し実際の使用環境よりも高い電圧ストレスまたは高い温度ストレスを一定期間の間に印加する加速テストとして知られている。ストレスの印加後に半導体メモリ素子の電気的特性が評価され、初期欠陥及び正常分布から離れた特性を有する軟弱セル(weak cell)を内包したチップはスクリーニングされる。このようなバーンインテストの際にウェハレベルで行われるウェハバーンインテストに係る技術中の一つは、例えば特許文献1に開示されている。
また、ワードラインの駆動に使用される電圧を生成するか、またはウェハバーンインテスト時に実際の使用環境よりも高い電圧ストレスを半導体メモリ素子に印加するためには、ノーマル電源電圧VDDのレベルよりも高いレベルを有する高電圧VPPが必要になる。このような高電圧の発生は、直ちに半導体メモリ装置のチップ内部に搭載された高電圧発生器によりなされる。
通常の高電圧発生器はリング発振器、チャージポンプ、及びレベル検出部からなる。ここで、レベル検出部はフィードバックされる高電圧VPPと基準電圧Refとを比較して、高電圧VPPのレベル上昇または下降の程度を表す検出信号を出力する。リング発振器はレベル検出部から出力された検出信号に従い対応するポンピング用クロックCK,/CKを発生する。また、チャージポンプはポンピング用クロックに応じて電荷ポンピング動作を行うことにより、基準電圧Refに追従する高電圧VPPを出力する役割をする。
図4は高電圧発生器に含まれる通常のチャージポンプの回路図である。図4の回路は本分野で公知のクロスカップルされたチャージポンプの基本的回路構成であって、2つのキャパシタC1,C2、4つのP型MOSトランジスタP1−P4、及び3つのN型MOSトランジスタN1−N3から構成される。また、クロック信号のデューティ比を矯正するために出力特性を得ようとする場合にもこのチャージポンプを使用することができる。そのようなクロスカップルされたチャージポンプは単純性、信頼性、及び高性能の特性を有する2入力と2出力の昇圧回路として知られており、クロック信号のデューティ補正回路DCC内のデューティディテクタとして用いることもできる。
即ち、図4の回路は入力クロック信号のデューティが50%から離れるほど、出力電圧のスプリットは大きくなり、50%に近接するほど、スプリットは大きくならないという動作特性を有する。このように両出力端で出力電圧のスプリットが現れる理由は、両出力端out、outbに流れる電流差に起因してポンピングキャパシタC1,C2の貯蔵電荷量の間に差が発生するからである。
ここで、デューティディテクタの機能を実行しようとする場合、チャージポンプのスプリットの性能は回路の重要な性能指標となり、各種誤差要因によりスプリット性能は制限を受けることがある。
回路の両出力端out,outbの間にスプリットが発生すると、負荷に掛かる電圧が異なり、よって、クロスカップルされたP型MOSトランジスタP2,P3のドレイン−ソース電圧Vdsに互いに差があるようになる。これは電流の差で表れて、入力信号のデューティが50%にならなくても出力ノードの電流が同一になるのである。即ち、出力インピーダンスが相対的に低い場合、両出力端の出力電圧はこれ以上スプリットされない。言い換えれば、出力負荷の出力インピーダンスが低い場合、両出力ノードを介して流れる電流が同様になって、出力電圧のスプリットが止まるのである。従って、図4の回路において出力インピーダンスを増加させるために負荷トランジスタのゲート長は大きく設定されるべきであるが、そのような場合に占有面積が大きくなって高集積化に制限を与えるようになる。
図5はゲート長に従う出力電圧のスプリット特性を示すグラフである。横軸は時間で、縦軸は電圧を示す。ここで、グラフ符号G1,G4は負荷トランジスタのゲート長を長くした場合に両出力端に現れるスプリット曲線をそれぞれ示し、グラフ符号G2,G3は負荷トランジスタのゲート長を相対的に小さくした場合に両出力端に現れるスプリット曲線をそれぞれ示す。例えば、49.5%のデューティを有する信号が図4の回路に差動入力として印加される場合、チャージポンプの出力スプリットは負荷ゲート長が長くなったときにはグラフG1,G4のように継続して隔てられるのに比べ、ゲート長が短くなったときにはグラフG2,G3に示すように、スプリットが一定時点で止まることがわかる。
つまり、従来のチャージポンプ回路は出力インピーダンスを増加させるためにクロスカップルされた負荷トランジスタのゲート長を大きく作らなければならないため、半導体装置の高集積化に制限を加えるという問題点がある。
好ましくは、クロスカップルされたチャージポンプにおいて負荷トランジスタのゲート長を増加させずに負荷の出力インピーダンスを増大させることができる技術が求められている。
米国特許第6,372,528号
好ましくは、クロスカップルされたチャージポンプにおいて負荷トランジスタのゲート長を増加させずに負荷の出力インピーダンスを増大させることができる技術が求められている。
そこで、本発明の目的は、従来の問題点を解決することができる半導体メモリ装置のチャージポンプ回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、負荷トランジスタのゲート長を長くせずに負荷の出力インピーダンスを増加させることができるチャージポンプ回路を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、回路の単純性、信頼性、及び高性能を維持させながら出力インピーダンスを大きくすることができる半導体メモリ装置用チャージポンプ回路を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、クロスカップルされた負荷を構成するトランジスタのゲート長を増加させずに出力電圧のスプリット性能を改善することができるデュティ比矯正回路用チャージポンプ回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、負荷トランジスタのゲート長を長くせずに負荷の出力インピーダンスを増加させることができるチャージポンプ回路を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、回路の単純性、信頼性、及び高性能を維持させながら出力インピーダンスを大きくすることができる半導体メモリ装置用チャージポンプ回路を提供することにある。
本発明のまた他の目的は、クロスカップルされた負荷を構成するトランジスタのゲート長を増加させずに出力電圧のスプリット性能を改善することができるデュティ比矯正回路用チャージポンプ回路を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明の一実施例によるチャージポンプ回路は、チャージポンプのために互いに反対の位相で印加される第1及び第2入力信号を受信し、第1及び第2出力端がカスコード接続構造を有するトランジスタに接続されるクロスカップルされたロード部と、電流ミラー構造を有し、第1,2出力端の電圧にそれぞれ独立的に応答してカスコード接続構造を有するトランジスタのうち対応するトランジスタのバイアスを独立的に設定するバイアス設定部と、を備えることを特徴とする。
好ましくは、第1及び第2出力端は差動出力形態で表れ、第1及び第2入力信号の入力端構造はフォールデッド形態に形成されることができる。
好ましくは、第1及び第2出力端は差動出力形態で表れ、第1及び第2入力信号の入力端構造はフォールデッド形態に形成されることができる。
また、クロスカップルされたロード部は、入力トランジスタと連結され、電源電圧にソースが共通に連結される第1乃至第4のP型MOSトランジスタと、第1及び第2のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、第1出力端にドレインがそれぞれ連結される第5及び第6のP型MOSトランジスタと、第3及び第4のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、第2出力端にドレインがそれぞれ連結される第7及び第8のP型MOSトランジスタと、を含むことができる。
また、バイアス設定部は互いに同一の構造の第1及び第2バイアス設定部に分けられ、そのような場合に第1バイアス設定部は、第1バイアス電圧の設定のために電源電圧にソースが共通に連結されるバイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタと、バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタのそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結されるバイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、を含むことができる。
また、第2バイアス電圧は第2出力端の電圧よりもレベルが低いのが好ましく、バイアス用第2のP型MOSトランジスタのゲートサイズはバイアス用第1のP型MOSトランジスタのゲートサイズよりも約4倍だけ小さく設定することができる。
本発明に係る半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路によると、クロスカップルされた負荷を構成するトランジスタのゲート長を増加させずとも出力端の出力インピーダンスが高くなるので、出力電圧のスプリット性能が大幅に改善されるとの効果がある。
以下、半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路に係る好ましい実施例が添付図を参照して説明される。図面において従来の回路と同一または類似な機能を有する構成要素は、同一又は類似の参照符号が付される。以下の実施例で多くの特定詳細説明が図面に基づき行われているが、これは本分野の通常の知識を有したものならば本発明の理解を助けるための意図のほかに別の意図なしに説明されていることに注目されたい。
図1は本発明の実施例によるチャージポンプ回路である。図面を参照すると、図4に図示される従来のクロスカップルされたチャージポンプ回路に、カスコードタイプの接続構造で接続された4個のP型MOSトランジスタP5−P8と、それぞれ2つのP型及びN型MOSトランジスタP10,P11,N10,N11,P20,P21,N20,N21からなる第1及び第2バイアス設定部200,210が追加された構成が図示される。
つまり、図1でのチャージポンプ回路は、チャージポンピングのために互いに反対の位相で印加される第1及び第2入力信号in,inbを受信し、第1及び第2出力端a,bがカスコード接続構造を有するトランジスタP5−P8に接続されるクロスカップルのロード部100と、電流ミラー構造を有し、第1及び第2出力端a,bの電圧にそれぞれ独立的に応じてカスコード接続構造を有するトランジスタのうち対応するトランジスタのバイアスを独立的に設定するバイアス設定部200,210とを備える。
図1で、第1及び第2出力端a,bにはそれぞれポンピング用キャパシタが図4に示されたように連結される。図1のチャージポンプ回路を構成するトランジスタの連結は以下のようである。
チャージポンプ回路は、電源電圧VDDにソースが共通に連結される第1乃至第4のP型MOSトランジスタP1,P2,P3,P4と、第1及び第2のP型MOSトランジスタP1,P2とはそれぞれカスコード接続構造をなし、第1出力端aにドレインがそれぞれ連結される第5及び第6のP型MOSトランジスタP5,P6と、第3及び第4のP型MOSトランジスタP3,P4とはそれぞれカスコード接続構造をなし、第2出力端bにドレインがそれぞれ連結される第7及び第8のP型MOSトランジスタP7,P8と、第1及び第2入力信号in,inbをゲートにそれぞれ受信し、ドレインがそれぞれ第1及び第2出力端a,bに連結される入力用第1及び第2のN型MOSトランジスタN1,N2と、電源電圧VDDにソースが共通に連結される第1バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタP10,P11と、バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタP10,P11のそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結される第1バイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタN10,N11と、電源電圧にソースが共通に連結される第2バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタP20,P21と、第2バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタP20,P21のそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結される第2バイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタN20,N21と、から構成される。
ここで、第1乃至第4のP型MOSトランジスタP1−P4は第5乃至第8のP型MOSトランジスタP5−P8に対しそれぞれ1つずつ対応してカスコード接続構造をなし、第2のP型MOSトランジスタP2のゲートは第7のP型MOSトランジスタP7のドレインに連結され、第3のP型MOSトランジスタP3のゲートは第6のP型MOSトランジスタP6のドレインに連結されてクロスカップル形態になっており、第5及び第7のP型MOSトランジスタP5,P7のゲートは第1バイアス用第2のP型MOSトランジスタP11のゲートに共通連結され、第6及び第8のP型MOSトランジスタP6,P8のゲートは第2バイアス用第2のP型MOSトランジスタP21のゲートに共通連結され、第1のP型MOSトランジスタP1のゲートは第1出力端aと第1バイアス用第1のP型MOSトランジスタP10のゲートとに連結され、第4のP型MOSトランジスタP4のゲートは第2出力端bと第2バイアス用第1のP型MOSトランジスタP20のゲートとに連結され、第1及び第2バイアス用第2のP型MOSトランジスタP11,P21と第1のN型MOSトランジスタN10,N21とはすべてダイオード接続トランジスタであり、第1及び第4のP型MOSトランジスタP1,P4は動作的にダイオード機能を有する動作的ダイオードトランジスタである。
カスコードトランジスタとして機能する第5乃至第8のP型MOSトランジスタP5−P8の追加連結と独立的なバイアシングにより、出力端aから見る等価抵抗roはgm*ro*roになる。即ち、カスコード連結構造によりカスコードトランジスタのゲイン(gm*ro)だけ出力インピーダンスが一層増加するのである。勿論、この場合にカスコードトランジスタP5−P8は第1乃至第4のP型MOSトランジスタP1−P4に対し積層された構造で製造されるため、第1乃至第4のP型MOSトランジスタP1−P4とは独立的にバイアス電圧を受けるようになる。
カスコードトランジスタP5−P8のゲートに電圧を印加するバイアス動作の実現は電流ミラータイプの第1及び第2バイアス設定部200,210により行われる。
第1バイアス設定部200内で第1バイアス用第1のP型MOSトランジスタP10のゲートサイズ(幅)をWとする場合、第2のP型MOSトランジスタP11のゲートサイズはW/4に設定することが好ましい。なぜならば、第1のP型MOSトランジスタP1のゲートに印加される電圧レベルよりも第5のP型MOSトランジスタP5のゲートに印加される電圧レベルを低くするのが出力インピーダンスを大きく増加させることができるからである。勿論、この場合に第1及び第5のP型MOSトランジスタのゲート−ソース間電圧Vgsは互いに同一になる。また、第2のP型MOSトランジスタP11のゲートに現れる第1バイアス電圧apは第7のP型MOSトランジスタP7のゲートにも印加される。
一方、第2バイアス設定部210の構成及び動作は第1バイアス設定部200のそれと実質的に同一なので、これ以上の説明は省略する。
つまり、P型MOSトランジスタP10の1/4ほどのサイズを有するダイオードトランジスタP11を用いてカスコードトランジスタP5,P7のバイアス電圧を独立的に作る。増加された出力端の出力インピーダンスroのため、クロスカップルされたチャージポンプのスプリット性能はゲート長を増加させずにも改善される。
つまり、P型MOSトランジスタP10の1/4ほどのサイズを有するダイオードトランジスタP11を用いてカスコードトランジスタP5,P7のバイアス電圧を独立的に作る。増加された出力端の出力インピーダンスroのため、クロスカップルされたチャージポンプのスプリット性能はゲート長を増加させずにも改善される。
図1の回路構造においては、カスコード構造によるアクティブ出力範囲の減少が発生するが、これを解決するためには差動入力部分をフォールデッド(folded)形態に変更すればよい。即ち、図1においてN型MOSトランジスタN3を除去し、接地との直接的連結を行って、差動入力部分に対しフォールデッド入力構造が実現される場合、ゲート長を相対的に長くした図4のアクティブ範囲と実質的に同一の出力範囲を有することができる。
図2は図1に従うスパイスシミュレーションの結果を示すグラフである。横軸はゲート長を、縦軸はスプリット性能を電圧形態で示している。従来の通常の回路は差動チャージポンプにデューティ49.5%を印加する場合、スプリットがゲート長をいくら伸ばしても100mV以上には隔てられなかった。しかし、本実施例の場合にはゲート長を最小限にしても100mV以上の出力がスプリットされることがわかる。図2でグラフPIは本発明の場合を、グラフCIは従来の場合を示す。これから本発明の効果がわかる。
図3はゲート長に従い出力インピーダンスを測定した結果である。本実施例による出力インピーダンスに対するグラフPI1が既存の回路によるグラフCI1に比べ2倍以上ほど大きくなったことがわかる。
つまり、本発明によるチャージポンプ回路は、カスコードトランジスタ及びバイアス部の追加により、クロスカップルされた負荷を構成するトランジスタのゲート長を増加させずとも出力端の出力インピーダンスを高くすることができることがわかる。
つまり、本発明によるチャージポンプ回路は、カスコードトランジスタ及びバイアス部の追加により、クロスカップルされた負荷を構成するトランジスタのゲート長を増加させずとも出力端の出力インピーダンスを高くすることができることがわかる。
上述の説明では、本発明の実施例に基づき図面を参照して説明したが、本発明の技術的思想の範囲内で本発明を多様に変形または変更できるのは本発明が属する分野の当業者には明白なことである。例えば、事案の異なった場合にトランジスタのタイプ、トランジスタの個数を本発明の技術的思想から外れない限り多様な形態に変更できるのは勿論のことである。
100 ロード部
200,210 バイアス設定部
200,210 バイアス設定部
Claims (10)
- 半導体メモリ装置のチャージポンプ回路において、
チャージポンプのために互いに反対の位相で印加される第1及び第2入力信号を受信し、第1及び第2出力端がカスコード接続構造を有するトランジスタに接続されるクロスカップルロード部と、
電流ミラー構造を有し、前記第1及び第2出力端の電圧にそれぞれ独立的に応答して、前記カスコード接続構造を有するトランジスタのうち対応するトランジスタのバイアスを独立的に設定するバイアス設定部と、を備えることを特徴とする半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。 - 前記第1及び第2出力端は差動出力形態で表れることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置のチャージポンプ回路。
- 前記第1及び第2入力信号の入力端構造はフォールデッド形態に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置のチャージポンプ回路。
- 前記クロスカップルロード部は、入力トランジスタと連結され、電源電圧にソースが共通に連結される第1乃至第4のP型MOSトランジスタと、
前記第1及び第2のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、前記第1出力端にドレインがそれぞれ連結される第5及び第6のP型MOSトランジスタと、
前記第3及び第4のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、前記第2出力端にドレインがそれぞれ連結される第7及び第8のP型MOSトランジスタと、を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ装置のチャージポンプ回路。 - 前記バイアス設定部は互いに同一の構造の第1及び第2のバイアス設定部に分けられることを特徴とする請求項4に記載の半導体メモリ装置のチャージポンプ回路。
- 前記第1のバイアス設定部は、第1バイアス電圧の設定のために電源電圧にソースが共通に連結されるバイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタと、
前記バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタのそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結されるバイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、を含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。 - 前記第2のバイアス設定部は、第2バイアス電圧の設定のために電源電圧にソースが共通に連結されるバイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタと、
前記バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタのそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結されるバイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、を備えることを特徴とする請求項5に記載の半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。 - 前記第2バイアス電圧は前記第2出力端の電圧よりもレベルが低いことを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。
- 前記バイアス用第2のP型MOSトランジスタのゲートサイズは前記バイアス用第1のP型MOSトランジスタのゲートサイズよりも約4倍だけ小さいことを特徴とする請求項7に記載の半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。
- ポンピング用キャパシタがそれぞれ第1及び第2出力端に接続されるチャージポンプ回路において、
電源電圧にソースが共通に連結される第1乃至第4のP型MOSトランジスタと、
前記第1及び第2のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、前記第1出力端にドレインがそれぞれ連結される第5及び第6のP型MOSトランジスタと、
前記第3及び第4のP型MOSトランジスタとはそれぞれカスコード接続構造をなし、前記第2出力端にドレインがそれぞれ連結される第7及び第8のP型MOSトランジスタと、
第1及び第2入力信号をゲートにそれぞれ受信し、ドレインがそれぞれ前記第1及び第2出力端に連結される入力用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、
電源電圧にソースが共通に連結される第1バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタと、
前記バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタのそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結される第1バイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、
電源電圧にソースが共通に連結される第2バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタと、
前記第2バイアス用第1及び第2のP型MOSトランジスタのそれぞれのドレインにドレインがそれぞれ連結され、ゲートが互いに連結される第2バイアス用第1及び第2のN型MOSトランジスタと、を含み、
前記第1乃至第4のP型MOSトランジスタは前記第5乃至第8のP型MOSトランジスタに対しそれぞれ1つずつ対応してカスコード接続構造をなし、前記第2のP型MOSトランジスタのゲートは前記第7のP型MOSトランジスタのドレインに連結され、前記第3のP型MOSトランジスタのゲートは前記第6のP型MOSトランジスタのドレインに連結されてクロスカップル形態になっており、前記第5及び第7のP型MOSトランジスタのゲートは前記第1バイアス用第2のP型MOSトランジスタのゲートに共通連結され、前記第6及び第8のP型MOSトランジスタのゲートは前記第2バイアス用第2のP型MOSトランジスタのゲートに共通連結され、前記第1のP型MOSトランジスタのゲートは前記第1出力端と前記第1バイアス用第1のP型MOSトランジスタのゲートとに連結され、前記第4のP型MOSトランジスタのゲートは前記第2出力端と前記第2バイアス用第1のP型MOSトランジスタのゲートとに連結され、前記第1及び第2バイアス用第2のP型MOSトランジスタと第1のN型MOSトランジスタはすべてダイオード接続トランジスタであり、前記第1及び第4のP型MOSトランジスタは動作的にダイオード機能を有する動作的ダイオードトランジスタであることを特徴とする半導体メモリ装置でのチャージポンプ回路。
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