JP2006310871A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、16Mビット以上の記憶容量をもつ、ダイナミックメモリのような、超大規模集積回路に関する。 The present invention relates to a very large scale integrated circuit such as a dynamic memory having a storage capacity of 16 Mbits or more.
半導体集積回路内で、外部電源電圧や温度による変動の少ない、安定な基準電圧が必要になることがある。LSIの電圧リミッタについては、たとえば、アイ・エス・エス・シー・シー・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ,第272頁から第273頁,1986年2月(ISSCC Digest of Technical Papers,pp.272−273,Feb.1986)などがある。最後の論文において述べられているように、DRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)等のメモリLSIにおいては、外部電源電圧よりも低い電圧をLSIチップ上に設けた回路(電圧リミッタ)で発生し、それを電源として用いることがある。この内部電源電圧は、メモリ動作を安定にするために、外部電源電圧や温度による変動の少ない安定した電圧である必要があり、そのためには安定な基準電圧が必要である。また、アナログ回路を内蔵したLSIでは、参照用の電圧として安定した基準電圧を必要とする場合が多い。 In a semiconductor integrated circuit, a stable reference voltage with little fluctuation due to an external power supply voltage or temperature may be required. The LSI voltage limiter is described in, for example, ISSC Digest of Technical Papers, pages 272 to 273, February 1986 (ISSCC Digital of Papers, pp.272). -273, Feb. 1986). As described in the last paper, in a memory LSI such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), a voltage lower than the external power supply voltage is generated by a circuit (voltage limiter) provided on the LSI chip. Sometimes used as a power source. This internal power supply voltage needs to be a stable voltage with little fluctuation due to the external power supply voltage and temperature in order to stabilize the memory operation, and for this purpose, a stable reference voltage is required. An LSI incorporating an analog circuit often requires a stable reference voltage as a reference voltage.
このような要求に応える基準電圧発生回路としては、たとえば米国特許第3975648号や第4100437号などで提案されている回路がある。図7にその回路図を示す。これは、Hチャネルのエンハンスメント形MOSFET(以下EMOSと略す)とデプリーション形MOSFET(以下DMOSと略す)とのしきい値電圧の差を利用して、安定な電圧を得る回路である。図中、Q91がEMOS、Q90,Q92,Q93がDMOSであり、VCC,VBBはそれぞれ正電圧,負電圧の外部電源である。EMOSとDMOSとのしきい値電圧の差が出力電圧VRとなる。以下、この回路の動作を説明する。 As a reference voltage generating circuit that meets such requirements, there are circuits proposed in, for example, US Pat. Nos. 3,975,648 and 4,100,347. FIG. 7 shows a circuit diagram thereof. This is a circuit that obtains a stable voltage by utilizing a difference in threshold voltage between an H channel enhancement type MOSFET (hereinafter abbreviated as EMOS) and a depletion type MOSFET (hereinafter abbreviated as DMOS). In the figure, Q 91 is an EMOS, Q 90 , Q 92 and Q 93 are DMOSs, and V CC and V BB are positive and negative external power supplies, respectively. The difference in threshold voltage between EMOS and DMOS is the output voltage V R. The operation of this circuit will be described below.
Q90,Q91に流れる電流をI90,Q92,Q93に流れる電流をI91とする。4つのMOSFETがいずれも飽和領域で動作しているとすると、次の4式が成り立つ。 The current flowing through Q 90 and Q 91 is I 90 , and the current flowing through Q 92 and Q 93 is I 91 . If all four MOSFETs are operating in the saturation region, the following four equations hold.
I90=(β90/2)・(−VTD)2 …(1)
I90=(β91/2)・(V99−VTE)2 …(2)
I91=(β92/2)・(V99−VR−VTD)2 …(3)
I91=(β93/2)・(−VTD)2 …(4)
ここでV99はノード99の電圧、VTE,VTDはそれぞれEMOS,DMOSのしきい値電圧(VTE>0,VTD<0)、β90,β91,β92,β93はそれぞれQ90,Q91,Q92,Q93のコンダクタンス係数である。(1)〜(4)式より、
VR=VTE−(1+(β90/β91)−(β93/β92))・VTD …(5)
ここでβ90およびβ93が十分に小さいか、あるいはβ90/β91=β93/β92となるように各MOSFETの定数を定めれば、
VR=VTE−VTD …(6)
となる。すなわち、出力電圧VRとしてEMOSとDMOSとのしきい値電圧の
差の電圧が得られ、これは外部電源VCCやVBBの電圧に依存しない安定な電圧で
ある。
I 90 = (β 90/2 ) · (-V TD) 2 ... (1)
I 90 = (β 91/2 ) · (V 99 −V TE ) 2 (2)
I 91 = (β 92/2 ) · (V 99 −V R −V TD ) 2 (3)
I 91 = (β 93/2 ) · (−V TD ) 2 (4)
Here, V 99 is the voltage of the node 99, V TE and V TD are threshold voltages of EMOS and DMOS (V TE > 0, V TD <0), respectively, β 90 , β 91 , β 92 , and β 93 are respectively It is a conductance coefficient of Q 90 , Q 91 , Q 92 , Q 93 . From equations (1) to (4),
V R = V TE − (1+ (β 90 / β 91 ) − (β 93 / β 92 )) · V TD (5)
Here, if β 90 and β 93 are sufficiently small, or if the constants of each MOSFET are determined so that β 90 / β 91 = β 93 / β 92 ,
V R = V TE −V TD (6)
It becomes. That is, as the output voltage V R , a difference voltage between the EMOS and the DMOS is obtained, which is a stable voltage that does not depend on the voltages of the external power sources V CC and V BB .
近年、半導体装置の高集積化が進むにつれて、半導体素子の微細化に伴う耐圧の低下が問題になってきた。この問題は半導体装置の電源電圧を下げれば解決できるが、これは外部インタフェースの関係で必ずしも好ましくない。そこで、外部から印加する電源電圧は従来のまま(たとえばTTL(transistor transistor logic)コンパチブルの場合は5V)としておき、それよりも低い電圧(たとえば3V)の内部電源を半導体装置内で作るという方法が提案されている。たとえばアイ・イー・イー・イー,ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ,第22巻,第3号,第437頁から第441頁,1987年6月(IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.SC-22,No.3,pp.437−441,June 1987)には、この方法をDRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)に適用した例、および外部電源から内部電源を発生するための回路(電圧リミッタ回路)について記述されている。 In recent years, with the progress of high integration of semiconductor devices, a decrease in breakdown voltage due to miniaturization of semiconductor elements has become a problem. This problem can be solved by lowering the power supply voltage of the semiconductor device, but this is not always preferable because of the external interface. Therefore, the power supply voltage applied from outside is kept as it is (for example, 5 V in the case of TTL (transistor transistor logic) compatible), and an internal power supply having a lower voltage (for example, 3 V) is created in the semiconductor device. Proposed. For example, IEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. 22, No. 3, pages 437 to 441, June 1987 (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-22, No. 3, pp. 437-441, June 1987), an example in which this method is applied to a DRAM (dynamic random access memory), and a circuit (voltage limiter) for generating an internal power supply from an external power supply. Circuit).
図7(b)に上記文献に記載されている電圧リミッタ回路の回路図を示す。図中、VLが電圧リミッタ回路であり、基準電圧発生回路VRと駆動回路Bから成る。Zは電圧リミッタの負荷、すなわち電圧リミッタの出力電圧VLを電源として動作する回路である。基準電圧発生回路VRは、外部電源電圧VCCや温度による変動の少ない安定な電圧VRを発生する。駆動回路Bは、電圧値がVRと同じで駆動能力の大きい電圧VLを発生する回路であり、Q106〜Q111から成る差動増幅器DAと出力MOSトランジスタQ112から成る。差動増幅器DAの2個の入力端子のうち、一方にはVRが接続され、他方には出力VLが帰還されているので、この回路は出力VLが入力VRに追随するように動作する。出力VLの駆動能力は、出力MOSトランジスタQ112のチャネル幅によって決まる。したがって、Q112のチャネル幅を負荷の消費電流に見合った大きさを設計しておけば、安定な内部電源電圧VLを負荷に供給することができる。 FIG. 7B shows a circuit diagram of the voltage limiter circuit described in the above document. In the figure, VL is a voltage limiter circuit, which comprises a reference voltage generation circuit VR and a drive circuit B. Z is a circuit that operates using a load of the voltage limiter, that is, the output voltage V L of the voltage limiter as a power source. The reference voltage generation circuit V R generates a stable voltage V R with little fluctuation due to the external power supply voltage V CC and temperature. The drive circuit B is a circuit that generates a voltage V L having the same voltage value as V R and a large driving capability, and includes a differential amplifier DA composed of Q 106 to Q 111 and an output MOS transistor Q 112 . Since V R is connected to one of the two input terminals of the differential amplifier DA and the output V L is fed back to the other, this circuit ensures that the output V L follows the input V R. Operate. Driving capability of the output V L is determined by the channel width of the output MOS transistor Q 112. Therefore, if the channel width of Q 112 is designed to match the current consumption of the load, a stable internal power supply voltage V L can be supplied to the load.
上記した従来技術に基づいて、本発明者らが、具体的な超大規模集積回路(例えば、DRAMでいえば、16Mbit以上のLSI)について、詳細に検討したところ、次に詳説する問題点を発見した。この問題は大きくわけて、基準電圧発生回路に関するものと、電圧リミッタ回路に関するものと、これらのテストに関するものである。 Based on the above-described prior art, the present inventors have examined in detail a specific ultra-large scale integrated circuit (for example, an LSI of 16 Mbit or more in the case of DRAM), and found the problem described in detail below. did. This problem is broadly related to the reference voltage generation circuit, the voltage limiter circuit, and these tests.
まず、上記図7(a)に示した従来技術の問題点は、EMOSとDMOSという性質の異なるデバイスを用いるため、それらの特性を合せるのが難しいことである。上の説明では簡単のため特性が同じとしたが、実際にはコンダクタンス係数β,βの温度依存性dβ/dT、しきい値電圧の温度依存性dVT/dT等の特性がかなり異なる。これは以下に述べるような理由により、EMOSとDMOSとのしきい値電圧差VTE−VTDをかなり大きくしなければならないからである。 First, the problem of the prior art shown in FIG. 7A is that it is difficult to match the characteristics of EMOS and DMOS because they use different devices. In the above description, the characteristics are the same for the sake of simplicity. Actually, however, the characteristics such as the temperature dependence dβ / dT of the conductance coefficients β and β and the temperature dependence dV T / dT of the threshold voltage are considerably different. This is because the threshold voltage difference V TE -V TD between EMOS and DMOS must be considerably increased for the reasons described below.
EMOSはゲート・ソース間電圧が0Vのときには確実に非導通状態にならなければならない。そのためには、そのしきい値電圧VTEは、製造ばらつきやサブスレッショルド特性を考慮すると、かなり高く(たとえばVTE≧0.5V)設定する必要がある。また、DMOSは式(1)および(4)で示されるように電流源として用いられる場合があるので、電流値のばらつきを抑えるためには、そのしきい値電圧VTDの絶対値はかなり大きく(たとえばVTD≦−1.5V)設定しなければならない。したがってVTE−VTDはかなり大きく(たとえばVTE−VTD≧2V)なり、これはMOSFETのチャネル領域の不純物プロファイルが大幅に異なることを意味する。これによって、上で述べたようなMOSFETとしての特性の不一致が生ずる。本発明の1つの目的は、上記問題点を解決し、ブプリーション形のFETを用いない基準電圧発生回路を提供することにある。 The EMOS must be surely turned off when the gate-source voltage is 0V. For that purpose, the threshold voltage V TE needs to be set considerably high (for example, V TE ≧ 0.5 V) in consideration of manufacturing variations and subthreshold characteristics. In addition, since the DMOS may be used as a current source as shown by the equations (1) and (4), the absolute value of the threshold voltage V TD is considerably large in order to suppress the variation in the current value. (For example, V TD ≤-1.5 V) must be set. Therefore, V TE −V TD is quite large (eg, V TE −V TD ≧ 2V), which means that the impurity profile of the MOSFET channel region is significantly different. This causes a mismatch in characteristics as a MOSFET as described above. One object of the present invention is to solve the above problems and provide a reference voltage generation circuit that does not use a pleat type FET.
上記図7(b)に示す従来技術の第1の問題点は、電圧リミッタ回路の動作の安定性について考慮されていないことである。一般に、図7(b)の駆動回路Bのような帰還のかかった増幅器は、十分な位相余裕があるように設計しなければ、動作が不安定になる。これを図2(a),(b)を用いて説明する。帰還をかけないときの増幅器の周波数対利得および周波数対位相の関係が図のようになっていたとすると、利得が0dBになる周波数において、位相遅れが180°にどれだけ余裕があるかを示す数値が、位相余裕である。位相余裕が負であれば帰還増幅器は発振するし、正であっても余裕が小さい場合、動作が不安定になる。一般に安定に動作するためには位相余裕は45°以上必要であると言われている。そのためには、周波数対利得の特性が折れ曲がる点(ポール)のうち、2番目の点P2(傾きが6dB/octから12dB/octに変わる点)における利得が0dB以下でなければならない。電圧リミッタ回路は、内部回路に安定な内部電源電圧を供給するのがその使命であるから、発振したり動作が不安定になったりしてはならないのはもちろんのことである。 The first problem of the prior art shown in FIG. 7B is that the stability of the operation of the voltage limiter circuit is not considered. In general, an amplifier with feedback, such as the drive circuit B in FIG. 7B, becomes unstable unless it is designed to have a sufficient phase margin. This will be described with reference to FIGS. Assuming that the relationship between the frequency vs. gain and the frequency vs. phase of the amplifier when feedback is not applied is as shown in the figure, a numerical value indicating how much the phase delay has a margin of 180 ° at the frequency at which the gain becomes 0 dB. Is the phase margin. If the phase margin is negative, the feedback amplifier oscillates. If the phase margin is positive, the operation becomes unstable if the margin is small. In general, it is said that a phase margin of 45 ° or more is necessary for stable operation. For this purpose, the gain at the second point P 2 (the point at which the slope changes from 6 dB / oct to 12 dB / oct) among the points (poles) at which the frequency vs. gain characteristic bends must be 0 dB or less. The voltage limiter circuit has a mission to supply a stable internal power supply voltage to the internal circuit, and of course must not oscillate or become unstable.
この問題に対する対策としては、位相遅れを補償する各種の方法が、たとえばポール・アール・グレイ,ロバート・ジー・マイヤー共著,アナリシス・アンド・デザイン・オブ・アナログ・インテグレーテッド・サーキッツ,第2版,ジョン・ウィリー・アンド・サンズ社(Paul R.Gray and Robert G.Meyer:Analysys and Design of Analog Intergrated Circuits,2nd Ed.,John Wiley and sons Inc. に示されている。しかし、位相補償を実際の半導体装置の電圧リミッタ回路に適用するには、次のような問題がある。電圧リミッタ回路の負荷となる回路は、実際の半導体装置の内部回路であり、その中には容量,抵抗,インダクタンス,非線形素子、あるいはそれらの組合せなど極めて多種・多様なものが含まれる。しかも、それらの負荷が、時間的に一定ではなく、半導体装置の動作モードによって変化することがある。たとえば、半導体装置が動作状態にあるときと、待機状態にあるときとでは、負荷に流れる電流が大きく異なる。これによって、図7(b)の駆動回路Bの出力段のバイアス条件が変化し、その結果増幅器全体の周波数特性も変化する。電圧リミッタ回路を安定に動作させるためには、このような複雑な性質をもった増幅器が常に安定に動作するようにする必要がある。それには、従来の位相補償法だけは不十分である。 As countermeasures against this problem, various methods for compensating the phase delay are, for example, written by Paul Earl Gray and Robert G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Second Edition, John Willie and Sons (Paul R. Gray and Robert G. Meyer: Analysys and Design of Analog Integrated Circuits, 2nd Ed., John Wiley and sons Inc. Application to a voltage limiter circuit of a semiconductor device has the following problems: A circuit that is a load of the voltage limiter circuit is an internal circuit of an actual semiconductor device, and includes a capacitance, resistance, inductance, It includes a wide variety of elements such as non-linear elements or combinations of these elements, and their load is temporally For example, the current flowing through the load differs greatly between when the semiconductor device is in an operating state and when it is in a standby state, whereby FIG. As a result, the bias condition of the output stage of the drive circuit B in FIG.b) changes, and as a result, the frequency characteristics of the entire amplifier also change, and in order to operate the voltage limiter circuit stably, an amplifier having such complicated properties is required. It is necessary to ensure stable operation at all times, and only the conventional phase compensation method is insufficient.
上記従来技術の第2の問題点は、半導体チップ上の配置や配線について配慮されていないことである。特に、内部電源電圧VLで動作する回路が複数個ある場合の、電圧リミッタ回路の配置やその出力電圧VLの配線については配慮されていなかった。 The second problem of the prior art is that no consideration is given to the arrangement and wiring on the semiconductor chip. In particular, when there are a plurality of circuits that operate with the internal power supply voltage V L , the arrangement of the voltage limiter circuit and the wiring of the output voltage V L are not considered.
本発明者らは、上記従来技術を半導体メモリに適用した場合、以下に述べるような問題が生ずることを発見した。図3および図4に上記従来技術を半導体メモリに適用した例を示す。図3において、1は半導体メモリチップ全体、3は周辺回路、7は電圧リミッタ回路のうちの駆動回路(電圧リミッタ回路のうちの基準電圧発生回路はここでは記載を省略してある)、14a〜14dはパルス発生回路、2a〜2dは微細MOSトランジスタで構成されているメモリマットである。 The present inventors have found that the following problems arise when the above-described prior art is applied to a semiconductor memory. 3 and 4 show an example in which the above-described prior art is applied to a semiconductor memory. In FIG. 3, 1 is the entire semiconductor memory chip, 3 is a peripheral circuit, 7 is a drive circuit of the voltage limiter circuit (reference voltage generation circuit of the voltage limiter circuit is omitted here), 14a to Reference numeral 14d denotes a pulse generating circuit, and 2a to 2d are memory mats formed of fine MOS transistors.
メモリマットは微細素子を使用しているため、内部電源電圧VLで動作させる。駆動回路7とパルス発生回路14a〜14dはこのための回路である。7は内部電源電圧VLを発生し、14a〜14dは振幅VLのパルスφP1〜φP4をそれぞれ発生する。この例では、パルス発生回路が14a〜14dの4個あるのに対して、駆動回路は7の1個だけである。したがって、この電圧リミッタ回路によって発生した内部電源電圧VLを各パルス発生回路に供給するためには、チップの上辺から下辺にわたる長い配線が必要であり、配線の寄生インピーダンスが大きくなって雑音発生の原因となる。このインピーダンスを小さくするために配線幅を太くすると、今度は配線のチップ上の占有面積が増すという問題が生ずる。
Since the memory mat uses fine elements, the memory mat is operated with the internal power supply voltage VL . The
図4は、図3における配線が長くなるという問題を避けるために、各パルス発生回路に対応して1個ずつ駆動回路7a,7b,7c,7dを設けた例である。こうすれば、電圧リミッタ回路とパルス発生回路との間の配線長を短くすることができるが、パルス発生回路数と同じ数(ここでは4個)の電圧リミッタ回路が必要となる。したがって、電圧リミッタ回路のチップ上の占有面積および消費電流が図3の場合に比べて増加する。パルス発生回路の数がさらに大きくなった場合には、電圧リミッタ回路の占有面積と消費電力の増加は、高集積化,低消費電力化を目的とする半導体装置にとって重大な問題となる。 FIG. 4 shows an example in which one drive circuit 7a, 7b, 7c, 7d is provided for each pulse generation circuit in order to avoid the problem that the wiring in FIG. 3 becomes long. In this way, the wiring length between the voltage limiter circuit and the pulse generation circuit can be shortened, but the same number (four in this case) of voltage limiter circuits as the number of pulse generation circuits are required. Therefore, the occupied area and current consumption on the chip of the voltage limiter circuit increase compared to the case of FIG. When the number of pulse generation circuits is further increased, the increase in the area occupied by the voltage limiter circuit and the power consumption becomes a serious problem for a semiconductor device aiming at high integration and low power consumption.
上記従来技術の第3の問題点は、CMOS回路の動作速度について考慮されていないことである。この問題を、微細加工技術の最先端を駆使して製造されるダイナミックランダムアクセスメモリ(以下DRAMと略す)を用いて説明する。 The third problem of the prior art is that the operation speed of the CMOS circuit is not considered. This problem will be described using a dynamic random access memory (hereinafter abbreviated as DRAM) manufactured by making full use of the most advanced microfabrication technology.
図5は、Nウェル形CMOS・DRAMの回路ブロック構成の一部を示す。図中のメモリセルアレー部はP形基板上にある。センスアンプ部はNチャネルおよびPチャネルMOSトランジスタから成り、PチャネルMOSトランジスタの基板に相当するNウェルは電源電圧に接続されている。 FIG. 5 shows a part of the circuit block configuration of an N-well CMOS DRAM. The memory cell array portion in the figure is on a P-type substrate. The sense amplifier section is composed of N-channel and P-channel MOS transistors, and an N-well corresponding to the substrate of the P-channel MOS transistor is connected to the power supply voltage.
アイ・エス・エス・シー・シー,エフ・エー・エム18.6,1984年,第282頁(ISSCC,FAM18.6,1984,p282)において論じられているように、MOSトランジスタの寸法を小さくしてDRAMの集積度を上げて行くと、MOSトランジスタのホットキャリヤによるストレス耐圧の低下などの問題が生じる。これを防ぐために、集積度向上のために微細化が必要なメモリアレーで使用する電源電圧のみを、上記ストレス耐圧を考慮して下げることが考えられる。これは、たとえばDRAMの周辺回路部(Xデコーダ,Yデコーダなど)に外部電源電圧VCC,センスアンプを含むメモリセルアレー部にVCCより低い動作電圧VL(|VL|<|VCC|)を用いることである。すなわち、図5中のセンスアンプのPチャネルMOSトランジスタのソースにつながる電圧供給線をVLとし、周辺回路部の電圧供給線をVCCとする。 As discussed in ISMSC, FAM 18.6, 1984, p.282 (ISSCC, FAM18.6, 1984, p282), the size of MOS transistors is reduced. As the degree of integration of the DRAM increases, problems such as a reduction in stress breakdown voltage due to hot carriers in the MOS transistor arise. In order to prevent this, it is conceivable that only the power supply voltage used in the memory array that needs to be miniaturized to improve the degree of integration is lowered in consideration of the stress breakdown voltage. For example, the external power supply voltage V CC is applied to the peripheral circuit portion (X decoder, Y decoder, etc.) of the DRAM, and the operating voltage V L (| V L | <| V CC lower than V CC is applied to the memory cell array portion including the sense amplifier. |). That is, the voltage supply line connected to the source of the P channel MOS transistor of the sense amplifier in FIG. 5 is set to V L, and the voltage supply line of the peripheral circuit section is set to V CC .
しかしながら、CMOS・DRAMにおいて、上述の如くメモリアレー部の動作電圧を低くすると、著しく動作速度が低下することが判明した。詳細な解析の結果、その原因がPチャネルMOSトランジスタのバックゲートバイアス効果によるしきい値電圧上昇であることが明らかになった。すなわち、P形基板中のNウェル中に形成されたPチャネルMOSトランジスタのソースの電位が内部電源電圧VL、Nウェル(PチャネルMOSトランジスタのバックゲート)の電位が外部電源電圧VCCであると、PチャネルMOSトランジスタにVCC−VLのバックゲートバイアスがかかり、そのしきい値電圧が上昇する。 However, it has been found that in CMOS / DRAM, when the operating voltage of the memory array section is lowered as described above, the operating speed is significantly reduced. As a result of detailed analysis, it has been clarified that the cause is an increase in threshold voltage due to the back gate bias effect of the P-channel MOS transistor. That is, the potential of the source of the P channel MOS transistor formed in the N well in the P type substrate is the internal power supply voltage V L , and the potential of the N well (back gate of the P channel MOS transistor) is the external power supply voltage V CC . Then, a back gate bias of V CC -V L is applied to the P channel MOS transistor, and the threshold voltage rises.
図6は、ゲート長1.2μm、ゲート幅10μmのPチャネルMOSトランジスタのバックゲート(Nウェル)電圧とソース電圧との差(バックゲートバイアス)に対し、しきい値電圧をプロットしたものである。この例では、バックゲートバイアスが2V印加されると、約0.35Vしきい値電圧が上昇する。現在LSIで多く用いられている電源電圧VCCに対し、たとえばVL=3Vとすると、0.35Vのしきい値電圧上昇は動作電圧の10%を越えており、それがそのまま速度劣化につながる。 FIG. 6 is a plot of the threshold voltage against the difference (back gate bias) between the back gate (N well) voltage and the source voltage of a P-channel MOS transistor having a gate length of 1.2 μm and a gate width of 10 μm. . In this example, when a back gate bias of 2V is applied, the threshold voltage of about 0.35V increases. If V L = 3V, for example, with respect to the power supply voltage V CC that is currently widely used in LSIs, the threshold voltage rise of 0.35V exceeds 10% of the operating voltage, which directly leads to speed degradation. .
本発明の他の1つの目的は、上記第1の問題点を解決し、動作の安定は電圧リミッタ回路を提供することにある。 Another object of the present invention is to solve the first problem and to provide a voltage limiter circuit that is stable in operation.
本発明の他の目的は、上記第2の問題点を解決し、低雑音,小占有面積,低消費電力の電圧リミッタ回路を提供することにある。 Another object of the present invention is to solve the second problem and provide a voltage limiter circuit with low noise, a small occupied area, and low power consumption.
本発明の更に他の目的は、上記第3の問題点を解決し、高速かつ高信頼性のCMOS・LSI(large scale intergrated aircuit)を提供することにある。 Still another object of the present invention is to solve the third problem and to provide a high speed and high reliability CMOS large scale integrated circuit (LSI).
本発明の目的は、上記した他、更に、超大規模集積回路の実際の構成を提供することにある。 In addition to the above, an object of the present invention is to provide an actual configuration of an ultra-large scale integrated circuit.
本発明の更に他の目的は、超大規模集積回路の実際のレイアウトを提供することにある。 Still another object of the present invention is to provide an actual layout of a very large scale integrated circuit.
本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。 The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
上記目的を達成するため、本発明では、エンハンスメント形でしきい値電圧の異なる2個のFETを用い、それらに一定比の電流を流したときの電位差を取り出して基準電圧とする。 In order to achieve the above object, in the present invention, two FETs having different threshold voltages are used in the enhancement type, and a potential difference when a current of a constant ratio is passed through them is taken as a reference voltage.
上記第1の問題を解決するため、本発明では、電圧リミッタが多くの種類の負荷を駆動する必要があるときは、電圧リミッタを構成する駆動回路を負荷の種類に応じて複数個に分割し、それぞれに位相補償を施す。負荷の種類や大きさが半導体装置の動作モードによって時間的に変化するときは、各動作モードによって駆動回路や位相補償回路の回路定数を変化させる。あるいは、各動作モードごとに個別の駆動回路を設け、そららの出力を接続して電圧リミッタの出力とする。 In order to solve the first problem, in the present invention, when the voltage limiter needs to drive many types of loads, the drive circuit constituting the voltage limiter is divided into a plurality according to the type of load. Each is subjected to phase compensation. When the type and size of the load change with time depending on the operation mode of the semiconductor device, the circuit constants of the drive circuit and the phase compensation circuit are changed according to each operation mode. Alternatively, a separate drive circuit is provided for each operation mode, and these outputs are connected to provide an output of the voltage limiter.
上記第2の問題は、電圧リミッタ回路とその出力を電源として用いるパルス発生回路などの負荷回路とを近接して配置し、アドレス信号などの制御信号によって選択/非選択の関係にある複数の負荷回路で1個の電圧リミッタ回路を共有することにより解決される。 The second problem is that a voltage limiter circuit and a load circuit such as a pulse generation circuit that uses its output as a power supply are arranged close to each other, and a plurality of loads are selected / unselected by a control signal such as an address signal. This is solved by sharing one voltage limiter circuit in the circuit.
上記第3の問題を解決するため、本発明では、CMOS・LSIにおいてウェル中に形成されたMOSトランジスタのバックゲート(ウェル)電圧を、ソース端に供給される動作電圧と等しくする。 In order to solve the third problem, in the present invention, the back gate (well) voltage of the MOS transistor formed in the well in the CMOS LSI is made equal to the operating voltage supplied to the source terminal.
デプリーション形のFETを用いず、エンハンスメント形でしきい値電圧の異なる2個のFETを用いるので、それらのしきい値電圧の差を、十分小さくできる(原理的にはいくら小さくてもよい)。したがって、前記従来技術に比べて2個のFETの特性を合せることは容易であり、従来よりもさらに安定な基準電圧を得ることができる。 Since two FETs with different threshold voltages are used without using a depletion type FET, the difference between the threshold voltages can be made sufficiently small (in principle, it can be as small as possible). Therefore, it is easy to match the characteristics of the two FETs as compared with the prior art, and a reference voltage that is more stable than the prior art can be obtained.
電圧リミッタが多くの種類の負荷を駆動する必要があるとき、駆動回路を負荷に応じて複数個に分割し、それぞれに位相補償を施すことによって、負荷の種類に応じた最適な位相補償が可能になる。また、半導体装置の動作モードによって、駆動回路や位相補償回路の回路定数を変化させたり、各動作モードごとに個別の駆動回路を設け、それらの出力を接続して電圧リミッタの出力としたりすることによって、負荷の変動に対応した最適な位相補償が可能になる。それによって動作の安定な電圧リミッタ回路を作ることができる。 When the voltage limiter needs to drive many types of loads, the drive circuit can be divided into multiple parts according to the load, and phase compensation can be applied to each to optimize the phase compensation according to the type of load. become. Also, depending on the operation mode of the semiconductor device, the circuit constants of the drive circuit and phase compensation circuit can be changed, or individual drive circuits can be provided for each operation mode, and their outputs can be connected to become the output of the voltage limiter. This makes it possible to perform optimal phase compensation corresponding to load fluctuations. Thereby, a stable voltage limiter circuit can be formed.
電圧リミッタ回路とその出力を電源として用いるパルス発生回路などの負荷回路とを近接して配置することにより、これらの間の配線のインピーダンスを小さくすることができ、発生する雑音のレベルを抑えることができる。また、アドレス信号などの制御信号によって選択/非選択の関係にある複数の負荷回路で1個の電圧リミッタ回路を共有することにより、電圧リミッタ回路の数を減らすことができる。したがって、該回路の占有面積と消費電力とを低減することができる。ここで、電圧リミッタ回路は、負荷回路のうち選択状態にある回路だけを駆動すればよい。したがって、共有することによって電圧リミッタ回路の電流駆動能力を増加させる必要はない。 By placing the voltage limiter circuit close to the load circuit such as a pulse generation circuit that uses its output as a power supply, the impedance of the wiring between them can be reduced, and the level of generated noise can be suppressed. it can. In addition, the number of voltage limiter circuits can be reduced by sharing one voltage limiter circuit among a plurality of load circuits having a selection / non-selection relationship based on a control signal such as an address signal. Therefore, the area occupied by the circuit and the power consumption can be reduced. Here, the voltage limiter circuit need only drive the circuit in the selected state among the load circuits. Therefore, it is not necessary to increase the current drive capability of the voltage limiter circuit by sharing.
CMOS・LSIにおいて、ウェル中に形成されたMOSトランジスタは、ウェル電圧を内部電源電圧VLとすることにより、バックゲートバイアス効果によるしきい値電圧の上昇を防ぐことができる。 In the CMOS LSI, the MOS transistor formed in the well can prevent the threshold voltage from rising due to the back gate bias effect by setting the well voltage to the internal power supply voltage VL .
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記の通りである。 The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
本発明によれば、内部電圧の検査結果がデジタル信号で外部に出力されるので、内部電圧を外部からメモリテスタなどで検査することが容易になる。 According to the present invention, since the internal voltage inspection result is output to the outside as a digital signal, it is easy to inspect the internal voltage from the outside with a memory tester or the like.
以上本発明によれば、超大規模半導体集積回路を実際に設けることができ、かつ、これらの特性,安定動作等も達成することができる。 As described above, according to the present invention, an ultra large-scale semiconductor integrated circuit can be actually provided, and these characteristics, stable operation, and the like can be achieved.
以下、本発明を実施例を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described using examples.
この説明は、理解を容易にする為に、第1,第2,第3のグループに分け、この順に説明する。よって、それぞれのグループにおいて実際の超大規模集積回路への応用が説明される。しかし、これは、これらのグループが全く独立のものを意味するものでないことは、当業者であれば、理解できるであろう。すなわち、これらのグループは、それぞれ組み合せて実施することが技術的に可能である場合には、その組み合わせを当然に示唆しているのである。更に、以下の説明で明らかになるが、第1,第2、及び第3のグループは、互いに排せきしあう技術ではなく、ほとんどの場合、組合せることにより、より相乗的に効果を発揮する技術であることは、当業者であれば、理解しうるであろう。 This description is divided into first, second, and third groups to facilitate understanding, and will be described in this order. Therefore, application to actual ultra-large scale integrated circuits is explained in each group. However, this will be understood by those skilled in the art that these groups are not meant to be completely independent. In other words, these groups naturally suggest the combination when it is technically possible to perform the combination in combination. Furthermore, as will become apparent from the following description, the first, second, and third groups are not mutually exclusive technologies, and in most cases they are more effective when combined. Those skilled in the art will understand that this is a technology.
〔第1グループ〕
以下、本発明の第1のグループの実施例を図面により説明する。以下の説明では正の基準電圧を発生する場合について説明するが、トランジスタの極性等を逆にすることによって負の基準電圧を発生することもできる。
[First group]
Embodiments of the first group of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, a case where a positive reference voltage is generated will be described, but a negative reference voltage can also be generated by reversing the polarity of the transistor.
図1(a)に本発明の第1の実施例の回路図を示す。この回路は、NチャネルMOSFET・Q61〜Q63とPチャネルMOSFET・Q64,Q65から成り、VDDは正電圧の外部電源である。NチャネルMOSFETのうち、Q62とQ63は標準しきい値電圧VTEを持つエンハンスメント形FET(以下EMOSと略す)であり、Q61はVTEよりも高いしきい値電圧VTEEを持つエンハンスメント形FET(以下EEMOSと略す)である。以下、この回路の動作を説明する。 FIG. 1A shows a circuit diagram of a first embodiment of the present invention. This circuit comprises N-channel MOSFETs Q 61 to Q 63 and P-channel MOSFETs Q 64 and Q 65 , and V DD is a positive external power source. Among N-channel MOSFETs, Q 62 and Q 63 are enhancement type FETs (hereinafter referred to as EMOS) having a standard threshold voltage V TE , and Q 61 is an enhancement having a threshold voltage V TEE higher than V TE. FET (hereinafter abbreviated as EEMOS). The operation of this circuit will be described below.
PチャネルMOSFET・Q64とQ65とは、ゲートおよびソースを共有しており、いわゆるカレントミラー回路70を構成している。すなわち、Q64のドレイン電流I1とQ65のドレイン電流I2との比が一定になるように動作する。その電流比(ミラー比)は、Q64とQ65との定数比によって定まる。Q61〜Q63の定数が等しく、いずれも飽和領域で動作しているとすると、次の3式が成り立つ。
The P-channel MOSFETs Q 64 and Q 65 share a gate and a source and constitute a so-called
I1=(βEE/2)・(V1−VTEE)2 …(7)
I1=(βE/2)・(V1−VR−VTE)2 …(8)
I2=(βE/2)・(VR−VTE)2 …(9)
ここでβEEはEEMOS(Q61)のコンダクタンス係数、βEはEMOS(Q62,Q63)のコンダクタンス係数、V1はノード61の電圧である。(7)〜(9)式より、
V1=2VR …(10)
VR=(VTEE−xVTE)/(2−x) …(11)
ただし、
x=(αβE)/(βEE) …(12)
ここでαはカレントミラー回路70のミラー比(I1:I2=α:1)である。特にQ64とQ65の定数が同一の場合はα=1である。このとき、βEE≒βEならば
VR=VTEE−VTE …(13)
となる。すなわち、基準電圧VRとしてEEMOSとEMOSとのしきい値電圧の差の電圧が得られ、これは外部電源VDDの電圧に依存しない安定な電圧である。なお、VRのかわりにV1(=2VR)を基準電圧として用いてもよい。
I 1 = (β EE / 2) · (V 1 −V TEE ) 2 (7)
I 1 = (β E / 2) · (V 1 −V R −V TE ) 2 (8)
I 2 = (β E / 2) · (V R −V TE ) 2 (9)
Here, β EE is the conductance coefficient of EEMOS (Q 61 ), β E is the conductance coefficient of EMOS (Q 62 , Q 63 ), and V 1 is the voltage of
V 1 = 2V R (10)
V R = (V TEE −xV TE ) / (2-x) (11)
However,
x = (αβ E ) / (β EE ) (12)
Here, α is the mirror ratio of the current mirror circuit 70 (I 1 : I 2 = α: 1). In particular, α = 1 when the constants of Q 64 and Q 65 are the same. At this time, if β EE ≈ β E , V R = V TEE −V TE (13)
It becomes. That is, as the reference voltage V R , a difference voltage between the EEMOS and the EMOS is obtained, which is a stable voltage that does not depend on the voltage of the external power supply V DD . Incidentally, V 1 in place of V R (= 2V R) may be used as the reference voltage.
この基準電圧発生回路の特徴は、前記の従来技術に比べてMOSFETの特性を合せることが容易なことである。Q61〜Q63を飽和領域で動作させるためには、VTEE≧2VTE、すなわちVTEE−VTE≧VTEであればよい。しきい値電圧差VTEE−VTEは従来に比べて小さく(たとえば0.7Vでき、チャネル領域の不純物プロファイルの相違を従来に比べて小さくできるからである。 The characteristic of this reference voltage generation circuit is that it is easy to match the characteristics of the MOSFET as compared with the prior art. In order to operate Q 61 to Q 63 in the saturation region, V TEE ≧ 2 V TE , that is, V TEE −V TE ≧ V TE suffices. This is because the threshold voltage difference V TEE −V TE is smaller than that in the prior art (for example, 0.7 V, and the difference in the impurity profile of the channel region can be reduced as compared with the conventional case).
本発明による回路ではしきい値電圧の温度依存性dVT/dTの差異を小さくできるので、温度に対しても安定な基準電圧を得ることができるが、さらに温度依存性を小さくするにはミラー比αを調整すればよい。次にその方法を説明する。(11)式を温度Tによって微分すると、
dVR/dT=(1/(2−x))・(dVTEE/dT)
−(x/(2−x))・(dVTE/dT)…(14)
したがってdVTEE/dT=x・dVTE/dTとなるようにミラー比αを設定すれば、基準電圧の温度依存性dVR/dT=0にできる。
In the circuit according to the present invention, since the difference in temperature dependency dV T / dT of the threshold voltage can be reduced, a stable reference voltage can be obtained even with respect to temperature. The ratio α may be adjusted. Next, the method will be described. When the equation (11) is differentiated by the temperature T,
dV R / dT = (1 / (2-x)) · (dV TEE / dT)
-(X / (2-x)) ・ (dV TE / dT) (14)
Therefore, if the mirror ratio α is set so that dV TEE / dT = x · dV TE / dT, the temperature dependence of the reference voltage can be made dV R / dT = 0.
なお、本回路に用いるMOSFETのチャネル長は、ある程度長い方が望ましい。たとえば、半導体装置の他の回路でチャネル長1μm程度のMOSFETが用いられていたとしても、本回路ではそれよりも長い、たとえば5μm以上のチャネル長のMOSFETを用いるのがよい。(7)〜(9)式では簡単のため、飽和領域のドレイン電流はゲート・ソース間電圧にのみ依存するとしたが、実際にはドレイン・ソース間電圧によっても多少変化する。チャネル長が長いほどこの変化の割合(ドレインコンダクタンス)が小さく、したがって基準電圧の安定度が良くなる。また、短チャネル効果によるしきい値電圧変動を抑えるためにも、チャネル長は長い方がよい。 Note that it is desirable that the channel length of the MOSFET used in this circuit be somewhat long. For example, even if a MOSFET having a channel length of about 1 μm is used in another circuit of the semiconductor device, it is preferable to use a MOSFET having a channel length longer than that, for example, 5 μm or more. In the equations (7) to (9), for the sake of simplicity, the drain current in the saturation region depends only on the gate-source voltage. However, in practice, it slightly changes depending on the drain-source voltage. The longer the channel length, the smaller the rate of change (drain conductance), and the better the stability of the reference voltage. Also, a longer channel length is better in order to suppress threshold voltage fluctuations due to the short channel effect.
図1 (a),(b),(c) の回路では、基準電圧を作るためのMOSFET・Q61〜Q63のバックゲートはそれぞれのソースに接続されているが、共通の基板端子に接続するようにしてもよい。しかし、MOSFETのしきい値電圧はバックゲート電圧によって変化するので、その影響を避けるためにはソースに接続した方がよい。 In the circuits of FIGS. 1A, 1B, and 1C, the back gates of MOSFETs Q 61 to Q 63 for generating a reference voltage are connected to their respective sources, but are connected to a common substrate terminal. You may make it do. However, since the threshold voltage of the MOSFET varies depending on the back gate voltage, it is better to connect it to the source in order to avoid the influence.
ここで本発明に用いるカレントミラー回路について補足しておく。カレントミラー回路は、図1(a)の実施例に用いられている2個のMOSFETから成る回路に限られない。たとえば、図1(b)または(c)の回路でもよい。これらの回路はそれぞれカスコード形,ウィルソン形という名称で知られている回路である。これらの回路の特徴は、ミラー特性が良いことである。すなわち、図1(a)のカレントミラー回路では、Q64とQ65のドレイン・ソース間電圧の変化によってミラー比αがわずかに変化するが、図1(b)または図1(c)の回路ではその変化量が少ない。したがって、本発明に適用した場合、ミラー比をより正確に設定でき、より安定な基準電圧を得ることができる。また、カレントミラー回路としては、図1(d)に示すような、MOSFETのかわりにバイポーラトランジスタを用いた回路でもよい。以下の実施例では、簡単のため、主として図1(a)のカレントミラー回路を用いた図を掲げてあるが、これらの実施例に図1(b)〜(d)の回路を適用してもよいことは言うまでもない。 Here, the current mirror circuit used in the present invention will be supplemented. The current mirror circuit is not limited to a circuit composed of two MOSFETs used in the embodiment of FIG. For example, the circuit of FIG. 1 (b) or (c) may be used. These circuits are known as cascode type and Wilson type, respectively. These circuits are characterized by good mirror characteristics. That is, in the current mirror circuit shown in FIG. 1 (a) may vary slightly mirror ratio α by a change in the drain-source voltage of Q 64 and Q 65, FIG. 1 (b) or the circuit of FIG. 1 (c) Then the amount of change is small. Therefore, when applied to the present invention, the mirror ratio can be set more accurately, and a more stable reference voltage can be obtained. The current mirror circuit may be a circuit using a bipolar transistor instead of the MOSFET as shown in FIG. In the following embodiments, for the sake of simplicity, a diagram using the current mirror circuit of FIG. 1A is mainly shown. However, the circuits of FIGS. 1B to 1D are applied to these embodiments. It goes without saying.
図8に本発明の第2の実施例を示す。この回路は図1(a)のQ63を抵抗R61で置き換えたものである。Q61とQ62の定数が等しく、いずれも飽和領域で動作しているとすると、次の3式が成り立つ。 FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention. This circuit is obtained by replacing Q 63 in FIG. 1A with a resistor R 61 . If the constants of Q 61 and Q 62 are equal and both are operating in the saturation region, the following three equations are established.
I1=(βEE/2)・(V1−VTEE)2 …(15)
I1=(βE/2)・(V1−VR−VTE)2 …(16)
I2=VR/R61 …(17)
これらの式より、ミラー比α=1,βEE≒βEとして計算すると、
VR=VTEE−VTE …(18)
となり、基準電圧VRとしてEEMOSとEMOSとのしきい値電圧の差の電圧が得られる。
I 1 = (β EE / 2) · (V 1 −V TEE ) 2 (15)
I 1 = (β E / 2) · (V 1 −V R −V TE ) 2 (16)
I 2 = V R / R 61 (17)
From these equations, the mirror ratio α = 1, β EE ≒ β E
V R = V TEE −V TE (18)
Thus, the difference voltage between the EEMOS and the EMOS is obtained as the reference voltage V R.
本実施例の特徴は、EEMOSとEMOSとのしきい値電圧の差を、図1(a)の場合よりもさらに小さくできる(原理的にはいくら小さくてもよい)ことである。そのため、MOSFETの特性を合せることがさらに容易である。ただし、通常のMOSプロセスでは、一般に抵抗よりもMOSFETの方が占有面積が小さくできるので、しきい値電圧差がある程度大きくてもよい場合は図1(a)の実施例の方が望ましい。 The feature of this embodiment is that the difference in threshold voltage between EEMOS and EMOS can be made smaller than in the case of FIG. Therefore, it is easier to match the characteristics of the MOSFET. However, in the normal MOS process, the MOSFET can generally occupy a smaller area than the resistor. Therefore, when the threshold voltage difference may be large to some extent, the embodiment of FIG.
図9(a)に本発明の他の実施例を示す。図1(a)の実施例との相違点は、電流I1とI2との比を一定に保つ方法にある。図1(a)の場合は、カレントミラー回路70が直接I1とI2の比を一定に保っていたが、本実施例では2組のカレントミラー回路71および72が間接的にこれを実現する。すなわち、4個のNチャネルMOSFETから成るカレントミラー回路71(これは前述のカスコード形である)がI2とI3とを一定比に保つと同時に、2個のPチャネルMOSFETから成るカレントミラー回路72がI3と(I1+I2)とを一定比に保つ。これによりI1とI2との比が一定に保たれる。たとえば、回路71のミラー比をI2:I3=1:1、回路72のミラー比をI3:(I1+I2)=1:2とすれば、I1:I2=1:1となる。
FIG. 9A shows another embodiment of the present invention. The difference from the embodiment of FIG. 1 (a) is in the method of keeping the ratio of currents I 1 and I 2 constant. In the case of FIG. 1A, the
本実施例の特徴は、Q62のドレイン・ソース間電圧がほぼ一定になることである。図1(a)の実施例では、Q62のドレイン(ノード62)の電圧はほぼVDD−|VTP|(VTPはPチャネルMOSFETのしきい値電圧)であり、これは外部電源電圧VDDの変動によって変化する。ドレイン電圧の変化は、ドレインコンダクタンスによるドレイン電流の変化をもたらし、基準電圧VRの変動を招く。それに対して本実施例では、Q62のドレイン電圧は2VRに保たれているので、VDDに対してより安定な基準電圧を得ることができる。 The feature of this embodiment, the drain-source voltage of Q 62 is that substantially constant. In the embodiment of FIG. 1 (a), approximately V DD voltage of the drain (node 62) of Q 62 - | V TP | ( V TP is the threshold voltage of the P-channel MOSFET) is, this external supply voltage Varies with V DD variation. The change in the drain voltage causes a change in the drain current due to the drain conductance, resulting in a change in the reference voltage V R. In this embodiment contrast, the drain voltage of Q 62 is because it is kept at 2V R, it is possible to obtain a more stable reference voltage with respect to V DD.
図9(b)の回路の同様な趣旨の実施例である。この回路では、2個のEEMOSから成るカレントミラー回路73がI2とI4とを一定比に保ち、2個のPチャネルMOSFETから成るカレントミラー回路72が、I4と(I1+I2)とを一定比に保つことにより、I1とI2の比が一定に保たれる。
This is an embodiment having a similar purpose to the circuit of FIG. In this circuit, a
これまでの実施例は、いずれもNチャネルMOSFETのしきい値電圧差を基準とする回路であったが、PチャネルMOSFETのしきい値電圧差を、基準とすることもできる。図10(a),(b)にその例を示す。Q74は標準しきい値電圧VTPを持つPチャネルMOSFETであり、Q73はVTPよりも低い(負で絶対値が大きい)しきい値電圧VTPEを持つPチャネルMOSFETである。Q74とQ73がいずれも飽和領域で動作しているとすると、次の2式が成り立つ。 Although all of the embodiments so far have been based on the threshold voltage difference of the N-channel MOSFET, the threshold voltage difference of the P-channel MOSFET can also be used as a reference. Examples are shown in FIGS. 10 (a) and 10 (b). Q 74 is a P-channel MOSFET having a standard threshold voltage V TP , and Q 73 is a P-channel MOSFET having a threshold voltage V TPE lower than V TP (negative and large in absolute value). Assuming that both Q 74 and Q 73 are operating in the saturation region, the following two equations hold.
I1=(βPE/2)・(−V3−VTPE)2 …(19)
I2=(βP/2)・(VR−V3−VTP)2 …(20)
ここでV3はノード63の電圧、βPE,βEはそれぞれQ73,Q74のコンダクタンス係数である。こららの式より、I1:I2=1:1、βPE≒βEとして計算すると、
VR=VTP−VTPE …(21)
となり、基準電圧VRとしてPチャネルMOSFETのしきい値電圧差が得られる。
I 1 = (β PE / 2) · (−V 3 −V TPE ) 2 (19)
I 2 = (β P / 2) · (V R −V 3 −V TP ) 2 (20)
Here, V 3 is the voltage of the
V R = V TP −V TPE (21)
Thus, the threshold voltage difference of the P-channel MOSFET is obtained as the reference voltage V R.
本実施例は、P形の基板上に形成される半導体集積回路であって安定な基準電圧を必要とするものに組み込むのに好適である。前述のように、基準電圧を作るためのMOSFETのバックゲートはそれぞれのソースに接続することが望ましい。しかし、P形の基板上の半導体集積回路では、NチャネルMOSFETは基板上に直接形成され、そのバックゲートはすべて共通の基板端子に接続されるのが普通である。したがって基板電圧が変動すると、NチャネルMOSFETのしきい値電圧が変化する。それに対して、PチャネルMOSFETはN形のウェル内に形成されるので、各MOSFETのバックゲート(ウェル)をソースに接続することによって、基板電圧変動の影響を受けないようにすることができる。たとえば、DRAMでは、P形の基板を用い、チップ上に設けた基板電圧発生回路で発生した電圧(通常−3V程度)を基板に印加するのが普通である。しかしこの基板電圧は、外部電源電圧の変動やメモリの動作によって変動しやすい。このような場合には、本実施例の回路が特に有効である。逆に、N形の基板上に形成される半導体集積回路では、NチャネルMOSFETのしきい値電圧差を基準とする回路の方がよい。 This embodiment is suitable for incorporation in a semiconductor integrated circuit formed on a P-type substrate and requiring a stable reference voltage. As described above, the back gate of the MOSFET for generating the reference voltage is preferably connected to each source. However, in a semiconductor integrated circuit on a P-type substrate, the N-channel MOSFET is usually formed directly on the substrate, and all of its back gates are connected to a common substrate terminal. Therefore, when the substrate voltage varies, the threshold voltage of the N-channel MOSFET changes. On the other hand, since the P-channel MOSFET is formed in an N-type well, the back gate (well) of each MOSFET can be connected to the source so as not to be affected by fluctuations in the substrate voltage. For example, in a DRAM, it is common to use a P-type substrate and apply a voltage (usually about −3 V) generated by a substrate voltage generating circuit provided on the chip to the substrate. However, this substrate voltage tends to fluctuate due to fluctuations in the external power supply voltage and memory operation. In such a case, the circuit of this embodiment is particularly effective. Conversely, in a semiconductor integrated circuit formed on an N-type substrate, a circuit based on the threshold voltage difference of the N-channel MOSFET is better.
図10(b)も同様にPチャネルMOSFETのしきい値電圧差を基準とする回路である。これまでの実施例との相違点は、動作点(動作電流)の設定方法にある。これまでの実施例は、基準電圧発生回路内で自動的に動作点が定まる、いわゆるセルフバイアス方式の回路であった。しかし、本回路では、動作点を設定するための回路76が独立に設けられている。動作点設定回路76に流れる電流I5は、主として抵抗R62(MOSFETで置換してもよい)によって定まる。基準電圧発生回路の動作電流I1およびI2は、I5と2組のカレントミラー回路72および75によって定まる。たとえば、回路72のミラー比をI5:(I1+I2)=1:2、回路75のミラー比をI5:I2=1:1とすれば、I1=I2=I5となる。
FIG. 10B is also a circuit based on the threshold voltage difference of the P-channel MOSFET. The difference from the previous embodiments is the method of setting the operating point (operating current). The embodiments so far have been so-called self-bias type circuits in which the operating point is automatically determined in the reference voltage generation circuit. However, in this circuit, a circuit 76 for setting the operating point is provided independently. The current I 5 flowing through the operating point setting circuit 76 is mainly determined by the resistor R 62 (which may be replaced with a MOSFET). The operating currents I 1 and I 2 of the reference voltage generating circuit are determined by I 5 and two sets of
本回路は、動作点設定回路が独立しているので、セルフバイアス方式の回路よりも、デバイスのばらつきによる動作点の変動が少なく、したがって消費電流のばらつきが少ないという特徴がある。 Since this circuit is independent of the operating point setting circuit, it has a feature that the operating point varies less due to device variations than the self-bias type circuit, and therefore the current consumption varies less.
なお、セルフバイアス方式の回路では、起動回路を付けておくことが望ましい。起動回路とは、回路が望ましくない安定点に陥るのを防止するための回路である。たとえば図9(a)の回路では、望ましい安定点は前述のように正常にVRを発生している状態であり、このときノード63の電圧V3=2VR、ノード64の電圧V4≒VDD−|VTP|である。しかし、これ以外にもI1=I2=0という安定点があり、このときV3=0、V4=VDD、VR=0である。回路がこの安定点に陥るのを防ぐには、たとえば図11に示すような起動回路77を付ければよい。PチャネルMOSFET・Q75,Q76および抵抗R63(MOSFETによって置換してもよい)は電流源を構成している。回路が望ましくない安定点にあるときはV3=0でEEMOS・Q77は非常通状態であるから、ノード60が電流源によって充電される。するとQ78が導通状態になってノード63の電圧を上昇させ、回路を望ましくない安定点から脱出させるように働く。回路が望ましい安定点に到達するとV3がVTEEを越えてQ77が導通状態になり、ノード60の電圧が下がる。するとQ78は非導通状態になり、基準電圧発生回路本体の動作には影響を及ぼさなくなる。
In the self-bias type circuit, it is desirable to add a starting circuit. The starting circuit is a circuit for preventing the circuit from falling into an undesirable stable point. For example, in the circuit of FIG. 9A, the desirable stable point is a state in which V R is normally generated as described above. At this time, the voltage V 3 = 2V R at the
次に、本発明をDRAMに適用した例を示す。図12は、メモリアレーを外部電源電圧VCCよりも低い内部電圧VLで動作させるために、オンチップ電圧リミッタを設けたDRAMの構成図である。内部電圧VLを発生するために、本発明による基準電圧発生回路を用いている。図中、6は本発明による基準電圧発生回路、24は差動アンプ、7aおよび7bはバッファ、30はワード線昇圧回路、2はメモリセルMCを縦横に配列したメモリアレー、33はセンスアンプ、31はワードドライバである。 Next, an example in which the present invention is applied to a DRAM will be described. FIG. 12 is a configuration diagram of a DRAM provided with an on-chip voltage limiter for operating the memory array at an internal voltage V L lower than the external power supply voltage V CC . In order to generate the internal voltage V L , the reference voltage generation circuit according to the present invention is used. In the figure, 6 is a reference voltage generating circuit according to the present invention, 24 is a differential amplifier, 7a and 7b are buffers, 30 is a word line booster circuit, 2 is a memory array in which memory cells MC are arranged vertically and horizontally, 33 is a sense amplifier, 31 is a word driver.
差動アンプ24と2個の抵抗R21,R22は、基準電圧発生回路6の出力電圧VRから、次式のようにメモリアレーの動作電圧VR′を作るための回路である。
The
VR′=((R21+R22)/(R22))・VR …(22)
VRは、前述のようにFETのしきい値電圧差を基準としているため、必ずしもメモリアレーの動作電圧として適当な電圧であるとは限らない。そのためにこの回路によってVRからVR′への変換を行っている。たとえば、VR=1V,VR′=3Vならば、R21:R22=2:1とすればよい。また、R21とR22を可変にして、VR′の微調整、いわゆるトリミングができるようにしてもよい。トリミングの方法としては、たとえば前記米国特許に記載されている方法を用いることができる。
V R '= ((R 21 + R 22 ) / (R 22 )) · V R (22)
V R is since the reference is the threshold voltage difference of the FET, as described above, not necessarily the appropriate voltage as the operating voltage of the memory array. And performs conversion to V R 'from V R by the circuit for that. For example, if V R = 1V and V R ′ = 3V, R 21 : R 22 = 2: 1 may be set. Also, R 21 and R 22 may be made variable so that V R ′ can be finely adjusted, so-called trimming. As a trimming method, for example, the method described in the aforementioned US patent can be used.
バッファ7aおよび7bは、VR′の電流駆動能力を高めるための回路である。バッファは、MOSFET・Q21〜Q24と電流源I25から成る差動アンプと、MOSFET・Q26と電流源I27から成る出力段によって構成されている。なお、7bの構成は7aと同一なので、図では記載を省略してある。この回路は、出力段から差動アンプの入力へフィードバックがかかっているので、出力VL1,VL2の電圧が入力電圧VR′に追随するように動作する。すなわち、電圧値はそのままで駆動能力の大きな出力VL1,VL2を得ることができる。VL1,VL2は、それぞれセンスアンプ,メモリセルのワード線を駆動するのに用いられる。本実施例では、ワード線電圧をメモリアレーの動作電圧(ここではVL1)よりも高くする、ワードブーストと呼ばれる手法を用いている。そのために、ワード線昇圧回路30を設けてある。そのために、ワード線昇圧回路30を設けてある。ただし、30の電源は、外部電源VCCではなく内部電源VL2である。したがって、ワード線駆動信号φXはVL2を基準に昇圧される。ワードドライバ31は、φXとデコーダ出力XDとを受けて、ワード線WLを駆動する。
The buffers 7a and 7b are circuits for increasing the current drive capability of V R ′. The buffer is constituted by a differential amplifier composed of MOSFETs Q 21 to Q 24 and a current source I 25 and an output stage composed of MOSFET Q 26 and a current source I 27 . Since the configuration of 7b is the same as that of 7a, the illustration is omitted in the figure. This circuit operates so that the voltages of the outputs V L1 and V L2 follow the input voltage V R ′ because feedback is applied from the output stage to the input of the differential amplifier. That is, it is possible to obtain outputs V L1 and V L2 having a large driving capability while keeping the voltage value as it is. V L1 and V L2 are used to drive the sense amplifier and the word line of the memory cell, respectively. In the present embodiment, a technique called word boost is used in which the word line voltage is made higher than the operating voltage of the memory array (here, V L1 ). For this purpose, a word
本実施例に用いられているセンスアンプ33は、PチャネルMOSFET・Q125,Q126とNチャネルMOSFET・Q127,Q128から成る、通常のCMOSセンスアンプである。33は、φSを高レベルに、/φSを低レベルにしてMOSFET・Q136,Q137を導通させることにより、起動される。ただし、Q137のソースは、外部電源VCCではなく内部電源VL1に接続されているので、33は動作することにより、データ線の高レベル側はVL1に、低レベル側は設置電位になる。すなわち、データ線の振幅はVL1に抑えられる。
The
次に、本発明をDRAMに適用した他の実施例を紹介する。図13は本発明を適用した16MビットDRAMの回路図、図14はチップ内レイアウト図、図15は電圧リミッタ13の詳細レイアウト図である。なお、レイアウト図においては、簡単のため、一部の回路は記載を省略してある。図中、1は半導体チップ、2はメモリアレー、31はワードドライバ、32はロウデコーダ、33はセンスアンプ、34はデータ線プリチャージ回路、35はデータ線選択回路、36Lおよび36Rはスイッチ回路、37はカラムデコーダ、38はメインアンプ、39はデータ出力バッファ、40はデータ入力バッファ、41は書込み回路、42はロウアドレスバッファ、43はカラムアドレスバッファ、44はタイミング発生回路、45はセンスアンプ駆動信号発生回路、46はワード線電圧発生回路、47はデータ線プリチャージ線圧発生回路、48は基板電圧発生回路である。電圧リミッタ回路13の中の6は本発明による基準電圧発生回路、6aは電圧変換回路、7a,7b,7cは駆動回路、4a,4b,4cは接地VSSのボンディングパッド、5a,5bは外部電源電圧VCCのボンディングパッドである。基準電圧発生回路6は外部電源電圧VCC(ここでは5V)に対して安定化された電圧VR(ここでは1.1V)を発生し、電圧変換回路6aはそれぞれVR′(ここでは3.3V)に変換する。駆動回路は、VR′をもとに、メモリアレー用の電源電圧VL1、周辺回路用の電源電圧VL2を発生する。この例では、VL1,VL2の電圧レベルは、ともに3.3Vである。
Next, another embodiment in which the present invention is applied to a DRAM will be introduced. FIG. 13 is a circuit diagram of a 16 Mbit DRAM to which the present invention is applied, FIG. 14 is an in-chip layout diagram, and FIG. 15 is a detailed layout diagram of the
本実施例の第1の特徴は、周辺回路にも電圧リミッタ回路を適用したことである。VL1は45および47に、VL2は32,37,38,40,41,42,43,44,46,48にそれぞれ供給される。すなわち、データ出力バッファ39以外の回路は内部電源電圧VL1もしくはVL2で動作する。周辺回路をも外部電源電圧VCCよりも低い安定化された電圧VL1で動作させることにより、周辺回路で消費される電力を低減することができ、またその動作を安定化することができる。 The first feature of this embodiment is that the voltage limiter circuit is also applied to the peripheral circuit. V L1 is supplied to 45 and 47, and V L2 is supplied to 32, 37, 38, 40, 41, 42, 43, 44, 46, and 48, respectively. That is, circuits other than the data output buffer 39 operate with the internal power supply voltage V L1 or V L2 . By operating the peripheral circuit with the stabilized voltage V L1 lower than the external power supply voltage V CC , the power consumed in the peripheral circuit can be reduced and the operation can be stabilized.
本実施例の第2の特徴は、電圧リミッタ回路13を半導体チップの中央に配置したことである。これにより、内部電源電圧VL1,VL2の配線11a,11bのインピーダンスによる電圧降下が小さくなる。そのため、VL1,VL2を電源とする回路の動作が安定かつ高速になる。
The second feature of the present embodiment is that the
本実施例の第3の特徴は、接地配線の方法にある。まず、基準電圧発生回路および電圧変換回路用としては、専用の短い接地配線8を設ける。次に、駆動回路用としては接地配線9aおよび9bを設ける。そして、電圧リミッタ回路用のボンディングパッド4bは、他の回路用のボンディングパッド4a,4cとは別に設ける。これにより、各回路が動作するときに流れる電流によって接地配線上に発生する雑音が、他の回路に悪影響を与えるのを防止できる。特に、基準電圧発生回路および電圧変換回路の接地配線に雑音が生ずると、内部電源電圧VL1,VL2のレベルが変動し、チップ内のほとんどすべての回路に影響を与えるので、この配線8は極力短くし、かつ他の接地配線とは分離しておくことが望ましい。そのためには、ポンディングパッドから別にしておくのが最も望ましいが、ボンディングパッドは共通にして配線の取り出し部から分離するという方式でもよい。また、図には示していないが、メモリアレー用の接地配線も、他の配線とは分離しておくことが望ましい。なぜならば、DRAMでは、センスアンプが増幅動作を行うとき、多数のデータ線(その容量は通常合計数千pF)が同時に充放電され、接地配線に大きな雑音が発生するからである。
The third feature of this embodiment is the ground wiring method. First, a dedicated
本実施例の第4の特徴は、電源配線の方法にある。外部電源電圧VCC用のボンディングパッドは、メモリアレー用の5aと、周辺回路用の5bとで別に設ける。メモリアレー用の駆動回路7aは5aに、周辺回路用の駆動回路7b,7cは5bにそれぞれ近接して配置する。これにより、電源電圧10a,10bでの電圧降下を低減できる。もちろんこの電圧降下分は各駆動回路で吸収するようになっているが、降下分があまりに大きいと吸収しきれなくなり、内部電源電圧VL1もしくはVL2の低下を招くことがある。これを防ぐためには、本実施例のように、配線10a,10bのインピーダンスを小さくすることが望ましい。周辺回路用とメモリアレー用とでボンディングパッドを別に設けたのは、上述の接地の場合と同様、回路が動作するときに流れる電流によって電源電線上に発生する雑音が、他の回路に悪影響を与えるのを防止するためである。基準電圧発生回路および電圧変換回路用の電源は、ここでは5bから配線しているが、もちろん別のボンディングパッドを設けてもよい。 A fourth feature of the present embodiment is a method for power supply wiring. Bonding pads for the external power supply voltage V CC are provided separately for the memory array 5a and the peripheral circuit 5b. The memory array drive circuit 7a is disposed close to 5a, and the peripheral circuit drive circuits 7b and 7c are disposed close to 5b. Thereby, the voltage drop in power supply voltage 10a, 10b can be reduced. Of course, this voltage drop is absorbed by each drive circuit, but if the drop is too large, it cannot be absorbed and the internal power supply voltage V L1 or V L2 may be lowered. In order to prevent this, it is desirable to reduce the impedance of the wirings 10a and 10b as in this embodiment. The reason for providing separate bonding pads for the peripheral circuit and the memory array is that, as in the case of the above-mentioned grounding, noise generated on the power supply cable due to the current that flows when the circuit operates will adversely affect other circuits. This is to prevent giving. The power supply for the reference voltage generation circuit and the voltage conversion circuit is wired from 5b here, but of course, another bonding pad may be provided.
なお、図には示していないが、データ出力バッファ用の接地配線および電源配線も、他の接地配線および電源配線とはそれぞれ分離しておくことが望ましい。なぜならば、データ出力バッファが動作するときには外部負荷(通常数百pF)が充放電されるため、接地配線および電源配線(データ出力バッファは外部電源電圧VCCで直接動作する)に大きな雑音が発生するからである。 Although not shown in the drawing, it is desirable that the ground wiring and power supply wiring for the data output buffer are also separated from the other ground wiring and power supply wiring. This is because the external load (usually several hundred pF) is charged / discharged when the data output buffer operates, so that large noise is generated in the ground wiring and the power supply wiring (the data output buffer operates directly at the external power supply voltage V CC ). Because it does.
以下、本実施例の各部について詳細に説明する。 Hereafter, each part of a present Example is demonstrated in detail.
まず、基準電圧発生回路6について述べる。基準電圧発生回路としては、図1(a)〜(d),図8〜図11に示した回路を用いることができる。ここで、前述のように、基板電位変動の影響を少なくするためには、各MOSFETのバックゲートはそれぞれのソースに接続することが望ましい。たとえば図10(a),(b)の回路では、PチャネルMOSFET・Q73とQ74とのしきい値電圧差が基準電圧VRとなる。この場合は、Q73とQ74としては、たとえば図16(a),(b)に示す構造のPチャネルMOSFETを用いればよい。同図16(a)はレイアウト図、図16(b)は断面図である。図中、101はP形の半導体基板、102はN形のウェル、103はN+拡散層、107はP+拡散層、104はアイソレーション用のSiO2、106はゲートとなる多結晶シリコンもしくは金属、113は層間絶縁膜、108は配線層、115は保護膜、116はコンタクト孔である。ソース拡散層(図の左側のP+拡散層)とNウェルとが、配線層108によって接続されている。この端子が図10(a),(b)の回路図のノード66に相当する。この構造は通常のCMOSプロセスで作ることができる。図17(a),(b)は、ウェルを二重構造にした例である。図中,111はN形の基板、112はP形のウェルである。このように、ウェルを二重構造にして、外側のウェル112の電位を固定(たとえば接地)することにより、基板111とMOSFETのバックゲート102とが静電的にシールドされる。したがって、それらの間の寄生容量を介した干渉雑音を防止でき、基板電位変動の影響をほぼ完全になくすることができる。なお、基板111はたとえば外部電源VCCに接続すればよい。この構造は通常のCMOSプロセスにウェルを形成する工程を一つ追加するだけで作ることができ、比較的低コストで大きな効果が得られる。
First, the reference
図1(a)〜(d)、図8、図9(a),(b)図11の回路では、NチャネルMOSFET・Q61とQ62とのしきい値電圧差が基準電圧となる。これらの回路を用いる場合は、図16(a),(b)または図17(a),(b)において導電形を逆にした構造のNチャネルMOSFETを用いればよい。 In the circuits of FIGS. 1A to 1D, FIG. 8, FIG. 9A, and FIG. 11B, the threshold voltage difference between the N-channel MOSFETs Q 61 and Q 62 is the reference voltage. When these circuits are used, an N-channel MOSFET having a structure in which the conductivity type is reversed in FIGS. 16A and 16B or FIGS. 17A and 17B may be used.
基準電圧を発生するための一対のMOSFET図10(a),(b)の場合はQ73とQ74、図1(a)〜(d)、図8、図7(a),(b)、図11の場合はQ61とQ62)のレイアウトパターンは、幾何学的に合同な図形とし、配置する方向も同一にするのが、製造プロセスのばらつきの影響を少なくする意味で望ましい。たとえば、ソース・ドレイン拡散層上のコンタクト孔の配置方法を同一にすることにより、拡散層抵抗の影響を同じにすることができる。また、チャネルの方向を同じにすることにより、結晶面方向による移動度の差の影響をなくすことができる。 A pair of MOSFETs for generating a reference voltage In the case of FIGS. 10A and 10B, Q 73 and Q 74 , FIGS. 1A to 1D, FIGS. 8, 7A and 7B are used. In the case of FIG. 11, it is desirable that the layout patterns of Q 61 and Q 62 ) are geometrically congruent figures and arranged in the same direction in order to reduce the influence of manufacturing process variations. For example, by making the contact hole arrangement method on the source / drain diffusion layer the same, the influence of the diffusion layer resistance can be made the same. Further, by making the channel directions the same, it is possible to eliminate the influence of the difference in mobility depending on the crystal plane direction.
次に、電圧変換回路6aについて述べる。電圧変換回路の一実現方法を図18に示す。図中、24は差動増幅器、25はトリミング回路、Q39〜Q47およびQ49はPチャネルMOSFET、F4〜F7はヒューズである。これに関連する実施例が図35,図37,図39(a)で説明されるので、これを参照すれば、一層明らかになるであろう。この回路は、基準電圧VRの定数倍の電圧VR′を発生する。また、製造プロセスなどによるVRのばらつきを補償するための電圧の微調整(トリミング)が可能である。 Next, the voltage conversion circuit 6a will be described. FIG. 18 shows a method for realizing the voltage conversion circuit. In the figure, 24 is a differential amplifier, 25 is a trimming circuit, Q 39 to Q 47 and Q 49 are P-channel MOSFETs, and F 4 to F 7 are fuses. A related embodiment will be described with reference to FIGS. 35, 37, and 39 (a). This circuit generates a voltage V R 'that is a constant multiple of the reference voltage V R. Also, fine adjustment of the voltage to compensate for variations in V R due to the manufacturing process (trimming) is possible.
差動増幅器24の入力端子の一方には、VRが入力され、他方にはVR′をMOSFETQ44〜Q47およびQ39〜Q42によって分割した電圧VR″が帰還されている。24の増幅率が十分大きいとすれば、出力電圧VR′は次式で与えられる。
V R is input to one input terminal of the
VR′=((RT1+RT2)/RT2)・VR
ここで、RT1はQ44〜Q47から成る回路を等価的に抵抗とみなしたときの抵抗値、RT2はQ39〜Q42から成る回路を等価的に抵抗とみなしたときの抵抗値である。ヒューズを切断することによりRT1,RT2が変わるので、VR′を調整することができる。VR,VR′の標準値は、前述のようにそれぞれ1.1V,3.3Vであるから、ヒューズを切断しないときはRT1:RT2=2:1としておく。VR>1.1VのときはF4〜F6を切断することによりRT2を大きくし、VR<1.1VのときはF7を切断することによりRT1を大きくして、VR′が標準値から大きくはずれないように調節することができる。
V R '= ((R T1 + R T2 ) / R T2 ) · V R
Here, R T1 is a resistance value when a circuit composed of Q 44 to Q 47 is regarded as equivalent resistance, and R T2 is a resistance value when a circuit composed of Q 39 to Q 42 is regarded as equivalent resistance. It is. Since R T1 and R T2 are changed by cutting the fuse, V R ′ can be adjusted. Since the standard values of V R and V R ′ are 1.1 V and 3.3 V, respectively, as described above, R T1 : R T2 = 2: 1 is set when the fuse is not blown. When V R > 1.1 V, R T2 is increased by cutting F 4 to F 6, and when V R <1.1 V, R T1 is increased by cutting F 7 , and V R It can be adjusted so that ′ does not deviate significantly from the standard value.
MOSFET・Q49およびQ50はテストモードのときにVR′=0Vとするためのものである。テストモードのときは信号TEがVCCレベルになり、出力VR′は0Vになる。 The MOSFET · Q 49 and Q 50 is for the V R '= 0V when the test mode. In the test mode, the signal T E becomes V CC level, and the output V R ′ becomes 0V.
図18に示した回路は、米国特許第4100437号に記載されている回路に比べて、通常のMOSプロセスで作った場合の占有面積が小さいという利点がある。すなわち、米国特許に記載されている回路では、出力電圧VR′を分割するための素子として、抵抗を用いていたのに対し、図18の回路ではMOSFETを用いている。回路の消費電流を低減するためには、電圧分割用素子の等価抵抗はかなり大きく(数百kΩ程度)なければならない。通常のMOSプロセスでは、抵抗よりもMOSFETの方が、小面積で等価抵抗の大きい素子が得られる。ただし、MOSFETを用いると、そのしきい値電圧の変動によってVR′の特性が変動することが懸念されるが、MOSFETのチャネル幅・チャネル長を十分大きくしてばらつきを抑え、バックゲートをソースに接続して基板電位変動の影響を回避し、さらにしきい値電圧のばらつき分も見込んでヒューズの切断方法を選択することにより、解決できる。なお、このトリミングに用いるMOSFETは、基板電位変動の影響を少なくするため、図16(a),(b)または図17(a),(b)に示した構造にすることが望ましい。 The circuit shown in FIG. 18 has an advantage that the occupied area is small when manufactured by a normal MOS process as compared with the circuit described in US Pat. No. 4,100,347. That is, in the circuit described in the US patent, a resistor is used as an element for dividing the output voltage V R ′, whereas in the circuit of FIG. 18, a MOSFET is used. In order to reduce the current consumption of the circuit, the equivalent resistance of the voltage dividing element must be considerably large (about several hundred kΩ). In a normal MOS process, an element with a smaller area and a larger equivalent resistance can be obtained with a MOSFET than with a resistor. However, if MOSFETs are used, there is a concern that the characteristics of V R ′ may fluctuate due to fluctuations in the threshold voltage. This can be solved by selecting the fuse cutting method while avoiding the influence of the substrate potential fluctuation by connecting to the capacitor and further considering the variation of the threshold voltage. Note that the MOSFET used for this trimming desirably has the structure shown in FIGS. 16A and 16B or FIGS. 17A and 17B in order to reduce the influence of substrate potential fluctuation.
基準電圧VR,VR′の端子には、接地との間に大きな容量のキャパシタを付加しておくのが望ましい。これは、VR,VR′の高周波に対するインピーダンスを低減させ、高周波雑音をバイパスさせるためである。特に、図15のように、VR′の配線12aがやむを得ず他の配線と交差する場合には、電圧リミッタ回路の動作を安定化する(発振を防止する)意味もある。この理由を図19を参照して説明する。 It is desirable to add a capacitor having a large capacity between the terminals of the reference voltages V R and V R ′ and the ground. This is to reduce the impedance of V R and V R ′ with respect to the high frequency and to bypass the high frequency noise. In particular, as shown in FIG. 15, when the V R ′ wiring 12a inevitably intersects with another wiring, it also has the meaning of stabilizing the operation of the voltage limiter circuit (preventing oscillation). The reason for this will be described with reference to FIG.
駆動回路7a,7bは、それぞれVR′から電流駆動能力の大きい電圧VL1,VL2を作る。このVL1,VL2自体、あるいはパルス発生回路14のようなVL2を電源として動作する回路の出力(その電圧レベルはVL2)の配線16がVR′の配線が、VR′の配線12aと交差していると、17a〜17cに示すように、配線間の寄生容量CC3を介した帰還ループが生ずる。このループの利得が1(0dB)より大きいと回路は発振し、1より小さくても余裕が少ないと回路動作が不安定になる。これを防止するためには、VR′と接地との間にCC1〜CC3よりも十分大きなキャパシタCR1,CR2を挿入し、ループの利得を十分小さく(たとえば−10dB以下)しておけばよい。
The drive circuits 7a and 7b generate voltages V L1 and V L2 having a large current drive capability from V R ′, respectively. The V L1 , V L2 itself, or the
ここで用いるキャパシタの実現方法の一例を図20(a),(b)に示す。図20(a)はレイアウト図、図20(b)は断面図である。図中、101はP形の半導体基板、102はN形のウェル、103はN+拡散層、104はアイソレーション用のSiO2、105はゲート絶縁膜、106はゲートとなる多結晶シリコンもしくは金属、113は層間絶縁膜、108は配線層、115は保護層、116はコンタクト孔である。キャパシタは、通常のMOSキャパシタと同じように、ゲート絶縁膜をはさんで、ゲート106と基板表面102aとの間に形成される。キャパシタ絶縁膜として薄いゲート絶縁膜を用いているために、比較的小面積で大きな静電容量が得られるのが特徴である。ただし、通常のMOSキャパシタと異なる点は、ゲート下にNウェルがあるためにしきい値電圧(フラットバンド電圧)が負であることである。したがって、ゲート側が正になるように一方向の電圧が印加されるかぎり、その収電容量はほとんど一定であるという特徴がある。このキャパシタを作るのに必要な工程は、ウェル形成,アイソレーション領域形成,ゲート絶縁膜形成,ゲート形成,拡散層形成、および配線の各工程であるが、これらはいずれも通常のCMOSプロセスに含まれている工程である。したがって、CMOSプロセスで製造される半導体装置ならば、本キャパシタを作るために特に工程を追加する必要はない。
An example of a method for realizing the capacitor used here is shown in FIGS. 20A is a layout diagram, and FIG. 20B is a cross-sectional view. In the figure, 101 is a P-type semiconductor substrate, 102 is an N-type well, 103 is an N + diffusion layer, 104 is an SiO 2 for isolation, 105 is a gate insulating film, 106 is a polycrystalline silicon or metal serving as a gate, Reference numeral 113 denotes an interlayer insulating film, 108 denotes a wiring layer, 115 denotes a protective layer, and 116 denotes a contact hole. The capacitor is formed between the
駆動回路7a,7bの一実現方法を図21(a)に示す。図中、21は差動増幅器であり、MOSFET・Q21〜Q25から成る。22は出力段であり、MOSFET・Q26〜Q27から成る。CLは駆動回路の負荷(メモリアレーもしくは周辺回路)を等価的に1つのキャパシタで表したものである。差動増幅器21の2個の入力端子のうち、一方には基準電圧VR′が入力され、他方には出力段からVL1(VL2)が帰還されている。したがって、この回路はVL1(VL2)がVR′に追随するように動作する。23は21,22から成る帰還増幅器の動作を安定にするための、いわゆる位補償回路である。MOSFET・Q28〜Q30は、駆動回路が非活性状態のとき出力を高インピーダンスにするため、およびテストモードのときにVL1(VL2)をVCCレベルにするためである。すなわち、非活性状態のときはテスト信号TEが低レベル、活性化信号φ1′(φ2′)が低レベルであり、Q26のゲートVCCレベルになり、出力VL1(VL2)が高インピーダンスになる。また、このときはQ25,Q27が非導通状態になるため、回路の消費電力が低減される。テストモードのときは、TEがVCCレベルになり、Q6のゲートが低レベルになり、VCCが直接出力される。駆動回路7cの一実現方法を図21(b)に示す。この回路でも、活性化信号φ3′が低レベルのときは、出力は高インピーダンスになる。なお、この回の位相補償回路は7bのそれで兼用できる(7bと7cは並列に接続されているため)ので、ここには特に位相補償回路は設けていない。
One implementation method of the drive circuits 7a and 7b is shown in FIG. In the figure, 21 is a differential amplifier, consisting of MOSFET · Q 21 ~Q 25. Reference numeral 22 denotes an output stage comprising MOSFETs Q 26 to Q 27 . C L is an equivalent representation of the load (memory array or peripheral circuit) of the drive circuit with a single capacitor. Of the two input terminals of the
前述のように、駆動回路7aはVL1を、7bと7cとはVL2を発生するための回路である。通常状態では、7cは常に活性化され、7aと7bはメモリが動作状態のときのみ活性化される。そのため、活性化信号φ3′は常にVCCレベル、φ1′とφ2′とはメモリの動作タイミング(タイミングの詳細は後述に従ってVCCレベルになる。テストモードのときは、φ1′,φ2′,φ3′はすべて低レベルになり、テスト信号TEがVCCレベルになる。このときVL1とVL2は共にVCCに等しくなる。これは、外部電源電圧を直接印加して、メモリの動作(たとえばアクセス時間の電源電圧依存性)を調べるのに有効である。電源投入直後はVL1とVL2の立上りを早くするために、φ1′,φ2′,φ3′をすべて活性化することが望ましい。また、後述のように、VL2はワード線電圧VCHおよび基板電圧VBBを発生するのに用いられる。そこで、VCHおよびVBBの電圧レベルが標準値から外れたときにφ2′を活性化するようにすると、これらの電圧の安定度をよくすることができる。なお、活性化信号φ1′,φ2′,φ3′およびテスト信号TEの高レベルをVL2でなくてVCCとしているのは、PチャネルMOSFET・Q28,Q29を確実に非導通状態にするためである。 As described above, the drive circuit 7a is a circuit for generating V L1 , and 7b and 7c are circuits for generating V L2 . In the normal state, 7c is always activated, and 7a and 7b are activated only when the memory is in operation. Therefore, the activation signal φ 3 ′ is always at the V CC level, φ 1 ′ and φ 2 ′ are at the memory operation timing (details of timing will be at the V CC level as described later. In the test mode, φ 1 ′, φ 2 ′ and φ 3 ′ are all at a low level, and the test signal TE is at the V CC level, where V L1 and V L2 are both equal to V CC , which is obtained by directly applying an external power supply voltage. is effective to examine the operation of the memory (for example, the power supply voltage dependency of the access time). immediately after the power is turned on in order to speed up the rise of V L1 and V L2, φ 1 ', φ 2', φ 3 ' In addition, as described later, V L2 is used to generate the word line voltage V CH and the substrate voltage V BB, so that the voltage levels of V CH and V BB are standard values. If you to activate phi 2 'when deviated from, It is possible to improve the stability of these voltages. Note that the activation signal φ 1 ', φ 2', φ 3 ' and of the high level of the test signal TE is set to V CC without a V L2 is This is to ensure that the P-channel MOSFETs Q 28 and Q 29 are in a non-conductive state.
駆動回路7aと7bとは、電流駆動能力が大きくなければならない。メモリが動作状態のとき、7aと7bとは大きな(数百〜数千pF)負荷容量を駆動する必要があるからである。特に7aは、センスアンプが増幅動作をするとき、多数のデータ線を駆動しなければならない。たとえば、データ線1本の容量を0.3pF、同時に動作するセンスアンプの数を8192とすると、合計の容量は2500pFにもなる。そのため、7a,7bの出力MOSFET・Q26としては、たとえばチャネル幅/チャネル長が3000μm/1.2μm程度のものを用いる。7cは、メモリが待機状態のときにリーク電流を保証する程度の電流駆動能力があればよいので、その出力MOSFETは100μm/1.2μm程度でよい。 The drive circuits 7a and 7b must have a large current drive capability. This is because when the memory is in an operating state, 7a and 7b need to drive a large load load (several hundred to several thousand pF). In particular, 7a has to drive a large number of data lines when the sense amplifier performs an amplification operation. For example, if the capacity of one data line is 0.3 pF and the number of sense amplifiers operating simultaneously is 8192, the total capacity is 2500 pF. Therefore, as the output MOSFETs Q 26 of 7a and 7b, for example, those having a channel width / channel length of about 3000 μm / 1.2 μm are used. 7c only needs to have a current drive capability sufficient to guarantee a leakage current when the memory is in a standby state, and therefore its output MOSFET may be about 100 μm / 1.2 μm.
接続回路15は、VL1とVL2との電位差が大きくなりすぎないようにするためのものである。VL2とVL1との電位差が大きいと、メモリアレーと周辺回路との間で信号の授受のミスマッチが起こりうるからである。この回路の一例を図22に示す。図中、Q1,Q2,Q5はNチャネルMOSFET、Q4はPチャネルMOSFETである。NチャネルMOSFETのしきい値電圧をVTNとすると、Q1はVL1−VL2>VTNのときに、Q2はVL2−VL1>VTNのときにそれぞれ導通する。したがって、VL1とVL2との電位差はVTN以内に保たれる。Q5のゲートには電源投入直後にのみ高レベルになる信号WKが入力されている。これは特に、VL1とVL2との負荷の時定数が大きく異なる場合に、電位差が生ずるのを防止するのに有効である。Q1,Q2,Q5のいずれも非導通の場合でもコンダクタンスの比較的小さいMOSFET・Q4は導通している。これは、たとえばメモリが待機状態にある間に、VL1=VL2とする役割を果たす。
The
メモリアレー2内には、MOSFETQ121とキャパシタC122から成る、いわゆる1トランジスタ・1キャパシタ形ダイナミックメモリセルMCijが、ワード線WLiとデータ線DLjとの交点に配置されている。図にはワード線は2本、データ線は1対しか示していないが、実際には縦横に多数配置されている。キャパシタC122の一端PL(プレート)は直流電流に接続する。その電圧レベルは任意であるが、キャパシタC122の耐圧の観点からは、メモリアレーの動作電圧の1/2、すなわちVL1/2が望ましい。
In the
ワードドライバ31は、ロウデコーダ32の出力を受けて、選択されたワード線を駆動する回路である。本実施例では、ワード線電圧をメモリアレーの動作電圧(ここではVL1=3.3V)よりも高くする。いわゆるワード線昇圧方式を採用している。この方式の利点は、メモリセルの蓄積電圧を大きくできることである。そのため、ワード線電圧発生回路46で作られた電圧VCH(VCH>VL1)を選択されたワード線に供給する。
The
センスアンプ33は、データ線上の微小信号を増幅するための回路であり、NチャネルMOSFET・Q125,Q126から成るフリップフロップと、PチャネルMOSFETQ127,Q128から成るフリップフロップによって構成されている。センスアンプはφSを高レベル、/φSを低レベルとしてMOSFETQ136,Q137を導通状態にすることによって、活性化される。
The
データ線プリチャージ回路34は、メモリセル読出しに先立って各データ線を所定の電圧VPに設定するための回路である。プリチャージ信号φPを印加することによって、MOSFETQ129〜Q131が導通状態になり、データ線DLj/DLjの電圧はVPに等しくなる。なお、データ線プリチャージ電圧VPは任意の電圧でよいが、データ線充放電電流を低減する観点からは、メモリアレーの動作電圧の1/2、すなわちVL2/2にするのが望ましい。 Data line precharge circuit 34 is a circuit for prior to reading a memory cell sets each data line to a predetermined voltage V P. By applying the precharge signal φ P , the MOSFETs Q 129 to Q 131 are turned on, and the voltage of the data line DL j / DL j becomes equal to V P. The data line precharge voltage V P may be any voltage, but from the viewpoint of reducing the data line charge / discharge current, it is desirable to set it to ½ of the operating voltage of the memory array, that is, V L2 / 2.
データ線選択回路35は、カラムデコーダ37の出力φYSを受けて、選択されたデータ線対をMOSFET・Q132,Q133を通して入出力線I/O,/I/Oに接続する回路である。本実施例では、カラムデコーダ37は端に1個だけ配置し、その出力φYSを複数のデータ線選択回路に分配するという、いわゆる多分割データ線と呼ばれる手法を用いている。これはカラムデコーダの占有面積低減に有効である。
The data
本実施例では、センスアンプ33,データ線プリチャージ回路34,データ線選択回路35を左右のメモリアレーで共有する、いわゆるシェアドセンス,シェアドI/Oと呼ばれる手法を採用している。これは、33,34,35を共有することにより、その占有面積を低減するのに有効である。そのため、メモリアレーと33,34,35との間に、スイッチ信号φSHLおよびφSHRによって制御されるスイッチ回路36Lおよび36Rが設けられている。
In this embodiment, a so-called shared sense / shared I / O method is employed in which the
メインアンプ38,データ出力バッファ39,データ入力バッファ40,書込み回路41は、データの入出力のための回路である。読出しの場合は、センスアンプ33にラッチされているデータが、入出力線,メインアンプ38,データ出力バッファ39を介して、データ出力端子Dontに出力される。書込みの場合は、データ入力端子Dinから入力されたデータが、データ入力バッファ40,書込み回路41を介して入出力線に設定され、さらにデータ線選択回路35,データ線を通してメモリセルに書き込まれる。本実施例では、前述のように、38,40,41は内部電源電圧VL2で動作させて、消費電力の低減と動作の安定化を図っている。データ出力バッファ39のみは、外部インタフェース(ここではTTLコンパチブル)の都合上、外部電源電圧VCC(=5V)で動作されている。
The main amplifier 38, data output buffer 39,
ロウアドレスバッファ42,カラムアドレスバッファ43は、外部アドレス信号Aを受けて、それぞれロウデコーダ32,カラムデコーダ37にアドレス信号を供給する回路である。タイミング発生回路44は、外部制御信号/RAS,/CAS,/WEを受けて、メモリの動作に必要なタイミング信号を発生する回路である。これらの回路も、内部電源電圧でVL2で動作させて、消費電力の低減と動作の安定化を図っている。
The
ワード線電圧発生回路46は、前述のように、ワード線電圧VCH(ここでは約5V)を発生する回路である(後述のようにこの電圧はスイッチ回路でも使用される)。データ線プリチャージ電圧発生回路47は、データ線プリチャージ電圧VP)(ここでは1.65V)を発生する回路である。基板電圧発生回路48は、半導体基板に印加する電圧VBB(ここでは−2V)を発生する回路である。これらの回路の電源は、VCCではなく、安定化されたVL1もしくはVL2である。そのため、VCCが変化しても出力電圧の変動が少ないという利点がある。
The word line
次に、このDRAMの読出しの場合の動作を、図23の動作波形図を参照しながら説明する。 Next, the operation in the case of reading from the DRAM will be described with reference to the operation waveform diagram of FIG.
待機状態(/RAS,/CASともに高レベル)のときは、データ線プリチャージ信号φPおよびスイッチ信号φSHL,φSHRがともに高レベル(=VL2)であり、データ線DL,/DLがVPに設定されている。また、センスアンプ駆動信号φSAN,φSAPおよび入出力線I/O,/I/OもVPにプリチャージされている(これらのプリチャージ回路は図13には示されていない)。この状態では、電圧リミッタの駆動回路活性化信号のうち、φ3′のみが高レベル(=VCC)、φ1′,φ2′は低レベルである。したがって、消費電力の小さい待機時用の駆動回路7cのみが活性化されており、これによって内部電源電圧VL2のレベルが保持されている。また、接続回路15を通してVL1のレベルも保持されている。電流駆動能力が大きいが消費電力も大きい7a,7bは非活性状態である。こうすることにより、待機時の消費電力を低減することができる。
In a standby state (both / RAS and / CAS are high), both the data line precharge signal φ P and the switch signals φ SHL and φ SHR are at a high level (= V L2 ), and the data lines DL and / DL are VP is set. The sense amplifier drive signals φ SAN and φ SAP and the input / output lines I / O and / I / O are also precharged to V P (these precharge circuits are not shown in FIG. 13). In this state, only φ 3 ′ of the voltage limiter drive circuit activation signal is at the high level (= V CC ), and φ 1 ′ and φ 2 ′ are at the low level. Therefore, only the standby driving circuit 7c with low power consumption is activated, and thereby the level of the internal power supply voltage V L2 is maintained. Further, the level of V L1 is also held through the
/RASが低レベルになると、まず周辺回路用の駆動回路活性化信号φ2′が高レベル(=VCC)になる。これにより、電流駆動能力の大きい7bが活性化され、VL2を電源として動作する周辺回路に大電流を供給できるようになる。プリチャージ信号φPが低レベル(=0V)になり、選択されたメモリアレー側のスイッチ信号(図23の場合はφSHL)はVCHレベルまで昇圧され、反対側のスイッチ信号(図23の場合はφSHR)は0Vになる。φSHLを昇圧するのは、次のような理由による。センスアンプの電圧振幅は後述のようにVL1であるが、φSHLのレベルがVL2であると、データ線の電圧振幅がVL2−VTNに低下し、その結果メモリセルの蓄積電圧もVL2−VTNに低下してしまう(VTNはNチャネルMOSFET・Q123,Q124のしきい値電圧)。φSHLを昇圧することによってこれを防止し、メモリセルの蓄積電圧を確保することができる。 When / RAS goes low, the peripheral circuit drive circuit activation signal φ 2 ′ goes high (= V CC ). As a result, 7b having a large current driving capability is activated, and a large current can be supplied to a peripheral circuit operating with VL2 as a power source. The precharge signal φ P becomes a low level (= 0 V), the selected memory array side switch signal (φ SHL in the case of FIG. 23) is boosted to the V CH level, and the opposite side switch signal (FIG. 23). In this case, φ SHR ) becomes 0V. The reason for boosting φSHL is as follows. The voltage amplitude of the sense amplifier is V L1 as described below, the level of phi SHL is at V L2, the voltage amplitude of the data line is lowered to V L2 -V TN, also the accumulation and the resulting voltage memory cell The voltage drops to V L2 −V TN (V TN is the threshold voltage of the N-channel MOSFETs Q 123 and Q 124 ). This can be prevented by boosting φSHL, and the storage voltage of the memory cell can be secured.
次に、ロウアドレスバッファ42およびロウデコーダ32が動作すると、1本のワード線WLiが選択され、その電圧がVCHになる。WLi上の各メモリセルから各データ線に信号電荷が読出され、データ線の電位が変化する。図18の動作波形は、メモリセルのキャパシタにあらかじめ高電位(≒VL1)が蓄積されていた場合の例であり、データ線DLjの電位がわずかに上昇し、/DLjとの間に電位差を生じている。
Next, when the
センスアンプの動作に先立って、メモリアレー用の駆動回路活性化信号φ1′が高レベル(=VCC)になる。これにより、駆動回路7aが活性化され、VL1を電源として動作するセンスアンプ駆動信号発生回路45に大電流を供給できるようになる。次に、φSが高レベル(=VL2)、/φSが低レベル(=0V)になる。これにより、MOSFET・Q136,Q137が導通状態になり、φSANはをQ136通して接地され、φSAPはQ137を通してVL1に接続される。これによって、データ線DLj/DLj間の微小な電位差が増幅され、一方(図23の場合はDLj)はVL1に、他方(図23は/DLj)は0Vになる。
Prior to the operation of the sense amplifier, the drive circuit activation signal φ 1 ′ for the memory array becomes high level (= V CC ). Thus, the drive circuit 7a is activated, it becomes possible to supply a large current to the sense amplifier driving
/CASが低レベルになると、カラムアドレスバッファ43,カラムデコーダ37が動作し、1本のデータ線が選択される。これにより、データ線選択信号φYSが高レベル(=VL2)になり、データ線選択回路35を通してデータ線が入出力線に接続される。センスアンプ33にラッチされていたデータは、入出力線,メインアンプ38,データ出力バッファ39を介して、データ出力端子Dontに出力される。
When / CAS goes low, the column address buffer 43 and the
/RASが高レベルに戻ると、まずワード線WLiが低レベルになり、φS,/φS,φSHL,φSHR,φPが元のレベルに復帰する。メモリアレー用の駆動回路活性化信号φ1′はここで低レベル(=0V)になり、駆動回路7aが非活性状態になる。さらに、/CASが高レベルに戻ると、周辺回路用の駆動回路活性化信号φ2′も低レベル(=0V)になり、駆動回路7bが非活性状態になる。 When / RAS returns to a high level, the word line WL i first goes to a low level, and φ S , / φ S , φ SHL , φ SHR , and φ P return to their original levels. The drive circuit activation signal φ 1 ′ for the memory array becomes low level (= 0V) here, and the drive circuit 7a is deactivated. Further, when / CAS returns to the high level, the drive circuit activation signal φ 2 ′ for the peripheral circuit also becomes the low level (= 0V), and the drive circuit 7b becomes inactive.
以上の説明から明らかなように、駆動回路の活性化信号φ1′およびφ2′は、それぞれ必要なときにのみ高レベルになる。すなわち、φ1′はセンスアンプの動作開始直前から/RASが高レベルに戻るまで、φ2′は/RASまたは/CASが低レベルにあるときに、それぞれ高レベルになる。これにより、駆動回路7a,7bで消費される電力の低減が実現できる。 As is clear from the above description, the activation signals φ 1 ′ and φ 2 ′ of the drive circuit are at a high level only when necessary. That, phi 1 'until the operation immediately before the start of the sense amplifier / RAS is returned to a high level, phi 2' when the the / RAS or / CAS is at a low level, respectively to a high level. Thereby, reduction of the electric power consumed by drive circuit 7a, 7b is realizable.
以上説明したように、本実施例によれば、デプリーション形のFETを用いず、エンハンスメント形のFET同士のしきい値電圧差を基準とする基準電圧発生回路を作ることができる。エンハンスメント形のFET同士の特性を合せることはデプリーション形とエンハンスメント形のFETの特性を合せることよりも容易であるから、従来よりも安定な基準電圧を得ることができる。したがって、たとえば前述のメモリLSIの電圧リミッタに適用した場合、より安定な内部電源電圧を発生することができる。 As described above, according to the present embodiment, a reference voltage generation circuit based on a threshold voltage difference between enhancement type FETs can be formed without using a depletion type FET. Since it is easier to match the characteristics of enhancement-type FETs than to match the characteristics of depletion-type and enhancement-type FETs, a reference voltage that is more stable than the conventional one can be obtained. Therefore, for example, when applied to the voltage limiter of the memory LSI described above, a more stable internal power supply voltage can be generated.
〔第2グループ〕
以下、図面を参照して本発明の第2のグループの実施例を説明する。以下の説明では、主として本発明をMOS技術による半導体装置に適用した例を示すが、本発明は他の半導体装置、たとえばバイポーラやBiCMOS技術による半導体装置にも適用できる。また、外部電源電圧および内部電源電圧は正である場合について述べるが、負である場合でも、トランジスタの極性などを逆にすることによって本発明が適用できる。
[Second group]
Embodiments of the second group of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, an example in which the present invention is mainly applied to a semiconductor device using MOS technology is shown, but the present invention can also be applied to other semiconductor devices, for example, semiconductor devices using bipolar or BiCMOS technology. Although the case where the external power supply voltage and the internal power supply voltage are positive will be described, the present invention can be applied by reversing the polarity of the transistor even when the external power supply voltage and the internal power supply voltage are negative.
まず、第2のグループの基本概念を説明する。 First, the basic concept of the second group will be described.
図24に本実施例を示す。図中、VLが電圧リミッタ回路であり、外部電源電圧VCCから内部電源電圧VL1〜VL3(以下、VLi(i=1,2,3)として説明する)を発生する。電圧リミッタ回路VLは、基準電圧発生回路VRと駆動回路B1〜B3(以下Bi(i=1,2,3)として説明する)から成る。基準電圧発生回路VRは、外部電源電圧VCCや温度による変動が少ない安定な電圧VRを発生し、各駆動回路Bi(B1〜B3)は、VRをもとに電流駆動能力の大きい電圧VL1を発生する。各駆動回路Biは、帰還増幅器Aiと相位補償回路Ci(i=1,2,3)から成る。Z1〜Z3は、電圧リミッタ回路VLの負荷となる半導体装置内の回路であり、それぞれVL1〜VL3を電源として動作する。φ1〜φ3は、それぞれ負荷回路Z1〜Z3を制御するタイミング信号である。φ1′〜φ3′は、それぞれφ1〜φ3に同期したタイミング信号である。 FIG. 24 shows this embodiment. In the figure, VL is a voltage limiter circuit, which generates internal power supply voltages V L1 to V L3 (hereinafter described as V Li (i = 1, 2, 3)) from the external power supply voltage V CC . The voltage limiter circuit VL includes a reference voltage generation circuit VR and drive circuits B 1 to B 3 (hereinafter described as B i (i = 1, 2, 3)). The reference voltage generation circuit VR generates a stable voltage V R with little fluctuation due to the external power supply voltage V CC and temperature, and each drive circuit B i (B 1 to B 3 ) has a current drive capability based on V R. A large voltage V L1 is generated. Each drive circuit B i includes a feedback amplifier A i and a phase compensation circuit C i (i = 1, 2, 3). Z 1 to Z 3 are circuits in the semiconductor device serving as a load of the voltage limiter circuit VL, and operate using V L1 to V L3 as power sources, respectively. φ 1 to φ 3 are timing signals for controlling the load circuits Z 1 to Z 3 , respectively. φ 1 '~φ 3' is a timing signal synchronized with phi 1 to [phi] 3, respectively.
本実施例の第1の特徴は、電圧リミッタ回路の負荷となる内部回路をZ1〜Z3の3個の分割し、それに応じて電圧リミッタ回路内の駆動回路もB1〜B3の3個に分割し、それぞれに位相補償を施したことである。一般に、半導体装置内の回路には、容量,抵抗,インダクタンス,非線形素子、あるいはそれらの組合せなど極めて多種・多様なものが含まれる。しかも、それらが半導体チップ上に分散して(すなわち分布定数的に)存在する。そのような複雑な負荷を有する帰還増幅器を安定に動作させるための位相補償は極めて難しい。本実施例のように、負荷回路を種類や大きさによって複数個に分割すれば、各負荷回路に適した帰還増幅器および位相補償回路の設計は比較的容易になる。これにより各駆動回路の動作を安定にすることができる。 The first feature of the present embodiment is that the internal circuit serving as a load of the voltage limiter circuit is divided into three parts Z 1 to Z 3 , and the drive circuit in the voltage limiter circuit is also divided into three parts B 1 to B 3 accordingly . It is divided into pieces and each phase-compensated. In general, circuits in a semiconductor device include a wide variety of circuits such as capacitors, resistors, inductances, nonlinear elements, or combinations thereof. Moreover, they exist dispersedly on the semiconductor chip (that is, in a distributed constant manner). Phase compensation for stable operation of a feedback amplifier having such a complicated load is extremely difficult. If the load circuit is divided into a plurality of types and sizes as in this embodiment, the design of the feedback amplifier and the phase compensation circuit suitable for each load circuit becomes relatively easy. Thereby, the operation of each drive circuit can be stabilized.
負荷回路の分割方法としては、例えば下記の方法が考えられる。
〔1〕抵抗性負荷と容量性負荷とに分割する方法。
〔2〕負荷の大きさ(消費電流)によって分割する方法。
〔3〕回路の動作タイミングによって分割する方法。
〔4〕回路の半導体チップ内の物理的位置によって分割する方法。
As a method for dividing the load circuit, for example, the following method can be considered.
[1] A method of dividing into a resistive load and a capacitive load.
[2] A method of dividing by load size (current consumption).
[3] A method of dividing according to the operation timing of the circuit.
[4] A method of dividing a circuit according to a physical position in a semiconductor chip.
物理的位置によって分割した場合は、必要に応じて駆動回路B1〜B3を分散配置することが望ましい。 When divided according to physical positions, it is desirable to disperse the drive circuits B 1 to B 3 as necessary.
本実施例の第2の特徴は、各駆動回路Biに、各負荷を制御するタイミング信号φiに同期した信号φi′が入力されていることである。一般に、半導体装置内の回路に流れる電流は、動作モードによって大きく変化する。このことは、電源側から見れば、負荷のインピーダンスが変化することを意味する。このような負荷変動に対応できるようにするために、本実施例では、タイミング信号φi′を用いる。φi′によって帰還増幅器Aiや位相補償回路Ciの回路定数を変化させ、常に負荷の動作モードに適応した特性にすることができる。これにより、常に駆動回路の動作を安定にすることができる。 The second feature of this embodiment is that a signal φ i ′ synchronized with a timing signal φ i for controlling each load is input to each drive circuit B i . In general, a current flowing through a circuit in a semiconductor device varies greatly depending on an operation mode. This means that the load impedance changes from the power source side. In this embodiment, the timing signal φ i ′ is used to cope with such load fluctuations. The circuit constants of the feedback amplifier A i and the phase compensation circuit C i can be changed by φ i ′, so that the characteristic always adapted to the operation mode of the load can be obtained. Thereby, the operation of the drive circuit can always be stabilized.
なお、本実施例では、負荷回路Z1〜Z3の動作電圧VL1〜VL3のレベルはすべて等しいとしている。そのため、基準電圧発生回路は1個だけ設け、その出力VRを駆動回路B1〜B3で共通に使用している。負荷回路によって動作電圧が異なる場合は、図25のように基準電圧発生回路を複数個設ければよい。あるいは基準電圧発生回路は1個だけとしておき、駆動回路B1〜B3内に電圧変換機構を設けてもよい。 In this embodiment, the levels of the operating voltages V L1 to V L3 of the load circuits Z 1 to Z 3 are all equal. Therefore, the reference voltage generating circuit is only one provided, and commonly use the output V R by the drive circuit B 1 .about.B 3. If the operating voltage varies depending on the load circuit, a plurality of reference voltage generating circuits may be provided as shown in FIG. Alternatively, only one reference voltage generation circuit may be provided, and a voltage conversion mechanism may be provided in the drive circuits B 1 to B 3 .
図26に本発明の他の実施例を示す。本実施例の特徴は、負荷回路Z1の動作モードに対応して複数(ここでは2個)の駆動回路を設け、それらの出力をスイッチで切替えていることである。駆動回路B11,B12にはそれぞれ、Z1の動作に同期したタイミング信号φi′およびその補信号/φi′が入力されている。B11,B12の出力VL11,VL12のうちの一方が、スイッチSWで選択されて、負荷Z1に供給される。φ1′が高レベル、φ1′が低レベルのときは、B11が活性化、B12が非活性化され、スイッチSWはVL11側に接続される。逆に、φ1′が低レベル、/φ1′が高レベルのときは、B11が非活性化、B12が活性化され、スイッチSWはVL12側に接続される。すなわち、2個の駆動回路B11,B12のうちの一方だけが負荷回路Z1に内部電源電圧VL1を供給するのに使用され、他方は切り離された状態にある。 FIG. 26 shows another embodiment of the present invention. A feature of the present embodiment is that a plurality (two in this case) of drive circuits are provided corresponding to the operation mode of the load circuit Z 1 and their outputs are switched by switches. Each of the drive circuits B 11 and B 12 is supplied with a timing signal φ i ′ synchronized with the operation of Z 1 and its complementary signal / φ i ′. One of the outputs V L11 and V L12 of B 11 and B 12 is selected by the switch SW and supplied to the load Z 1 . When φ 1 ′ is high and φ 1 ′ is low, B 11 is activated and B 12 is deactivated, and the switch SW is connected to the V L11 side. Conversely, when φ 1 ′ is at a low level and / φ 1 ′ is at a high level, B 11 is deactivated, B 12 is activated, and the switch SW is connected to the V L12 side. That is, only one of the two drive circuits B 11 and B 12 is used to supply the internal power supply voltage V L1 to the load circuit Z 1 , and the other is disconnected.
図24の実施例では、負荷の変動に対応するために、駆動回路の回路定数を変えるという方法を採っていた。しかし、負荷のインピーダンスが動作モードによって極めて大きく変化し、単なる回路定数の変更だけでは複数の動作モードで安定に動作させることが困難なことがある。このようなときに本実施例の方法が有効である。各駆動回路は1つの動作モード専用に設計すればよいからである。たとえば、Z1が動作状態にあるときと待機状態にあるときとで、非常に大きな消費電流の変化があるとする。この場合は、駆動回路B11はZ1が動作状態にあるときに、B12はZ1が待機状態にあるときにそれぞれ安定に動作するように、帰還増幅器および位相補償回路を設計しておけばよい。 In the embodiment of FIG. 24, a method of changing the circuit constants of the drive circuit is adopted in order to cope with the load fluctuation. However, the impedance of the load varies greatly depending on the operation mode, and it may be difficult to stably operate in a plurality of operation modes by simply changing the circuit constant. In such a case, the method of this embodiment is effective. This is because each drive circuit may be designed exclusively for one operation mode. For example, it is assumed that there is a very large change in current consumption between when Z 1 is in an operating state and when it is in a standby state. In this case, the driving circuit B 11 when the Z 1 is in operation, B 12 is to operate stably respectively when Z 1 is in the standby state, Oke design the feedback amplifier and phase compensation circuit That's fine.
本実施例では、使用されない方の駆動回路は非活性化しているが、これは必ずしも必要ではない。使用されない方の駆動回路はスイッチによって切り離されるからである。しかし、消費電力を低減するためには非活性状態にしておく方が望ましい。また、スイッチによって駆動回路の出力を切り替えているが、駆動回路が非活性状態のときにその出力が高インピーダンスになるように設計しておけば、スイッチは不要である。 In this embodiment, the drive circuit that is not used is deactivated, but this is not always necessary. This is because the drive circuit that is not used is separated by a switch. However, in order to reduce power consumption, it is desirable to leave it in an inactive state. Further, the output of the drive circuit is switched by a switch. However, if the output is designed to have a high impedance when the drive circuit is in an inactive state, the switch is not necessary.
図24の実施例では、駆動回路を分割しているために、内部電源電圧VL1〜VL3の間に電位の差が生じることが懸念される。内部電源電圧間の電位差が大きいと、負荷回路Z1〜Z3相互間に信号の授受がある場合にミスマッチが起こったり、素子が破壊したりすることがある。図27にこれを防止する一方法を示す。簡単のため、負荷および駆動回路を2個に分割した場合について示してある。本実施例では、2個の内部電源電圧同士を2個のNチャネルMOSトランジスタQ1,Q2によって接続している。MOSトランジスタのしきい値電圧をVTHとすると、Q1はVL1−VL2>VTHのときに、Q2はVL2−VL1>VTHのときにそれぞれ導通する。したがって、VL1とVL2との間の電位差はVTH以内に保たれる。 In the embodiment of FIG. 24, since the drive circuit is divided, there is a concern that a potential difference may occur between the internal power supply voltages V L1 to V L3 . If the potential difference between the internal power supply voltages is large, a mismatch may occur or the element may be destroyed when signals are exchanged between the load circuits Z 1 to Z 3 . FIG. 27 shows one method for preventing this. For simplicity, the case where the load and the drive circuit are divided into two parts is shown. In this embodiment, two internal power supply voltages are connected by two N-channel MOS transistors Q 1 and Q 2 . Assuming that the threshold voltage of the MOS transistor is V TH , Q 1 becomes conductive when V L1 −V L2 > V TH , and Q 2 becomes conductive when V L2 −V L1 > V TH . Therefore, the potential difference between V L1 and V L2 is kept within V TH .
内部電源電圧同士を接続する方法は、図27に示したものに限られない。図28(a)〜(e)にいくつかの例を示す。最も単純な方法は、同図(a)ないし(e)のように、抵抗あるいは等価的に抵抗とみなせる素子によって接続する方法である。同図(d)は、図27と同様に、内部電源電圧間の電位差が一定値を越えないようにする方法である。ここでは、MOSトランジスタのかわりにダイオードD1,D2を用いている。VL1とVL2との間の電位差は、ダイオードのオン電圧以内に抑えられる。同図(e)は、電源投入直後にのみ高レベルになる信号WKを用いて、VL1とVL2とを接続する方法である。これは特に、負荷VL1とVL2との立上りの時定数が大きく異なる場合に、電位差が生じるのを防止するのに有効である。もちろん、図27および図28(a)〜(e)のうちいくつかを組合せた接続方法を採用してもよい。 The method of connecting internal power supply voltages is not limited to that shown in FIG. 28A to 28E show some examples. The simplest method is a method of connection by a resistor or an element that can be regarded as a resistor equivalently, as shown in FIGS. FIG. 4D is a method for preventing the potential difference between the internal power supply voltages from exceeding a certain value, as in FIG. Here, diodes D 1 and D 2 are used in place of the MOS transistors. The potential difference between V L1 and V L2 is suppressed within the on-voltage of the diode. FIG. 5E shows a method of connecting V L1 and V L2 using a signal WK that becomes a high level only immediately after the power is turned on. This is particularly effective in preventing the potential difference from occurring when the rise time constants of the loads V L1 and V L2 are greatly different. Of course, a connection method combining some of FIGS. 27 and 28A to 28E may be adopted.
なお、ここで述べた接続方法は、位相補償を施していない電圧リミッタに対しても有効である。 The connection method described here is also effective for a voltage limiter that is not subjected to phase compensation.
図24〜図27では簡単のため、負荷回路を単一のインピーダンスZiで表していた。しかし、実際の半導体装置における負荷は図29に示すように、半導体チップ内に分布している場合が多い。このような場合は、分布した負荷の途中あるいは遠い端の部分から増幅器Aiへ帰還をかけてもよい。図の例では、A1へは分布した負荷Z11〜Z19の近端から帰還をかけているが、A2へは負荷Z21〜Z29の中央部から、A3へは負荷Z31〜Z39の遠端からそれぞれ帰還をかけている。こうすることによる利点は、配線のインピーダンスによる内部電源電圧の低下部を補償でき、駆動回路から遠い負荷の動作を安定化できることである。分布した負荷の途中あるいは遠端から帰還をかける場合は、位相補償回路の入力も同じ個所からとることが望ましい。 24 to 27, the load circuit is represented by a single impedance Z i for simplicity. However, the load in an actual semiconductor device is often distributed in the semiconductor chip as shown in FIG. In such a case, feedback may be applied to the amplifier A i from the middle of the distributed load or from the far end. In the example shown in the figure, feedback is applied to the A 1 from the near end of the distributed loads Z 11 to Z 19 , but to the A 2 from the center of the loads Z 21 to Z 29 and to the A 3 to the load Z 31 ~ Z 39 are each returning from the far end. The advantage of this is that it is possible to compensate for the reduced portion of the internal power supply voltage due to the impedance of the wiring and to stabilize the operation of the load far from the drive circuit. When feedback is applied in the middle of the distributed load or from the far end, it is desirable to take the input of the phase compensation circuit from the same location.
[帰還増幅器と位相補償回路]
次に、本発明に用いるのに好適な帰還増幅器と位相補償回路について説明する。
[Feedback amplifier and phase compensation circuit]
Next, a feedback amplifier and a phase compensation circuit suitable for use in the present invention will be described.
図30(a)に帰還増幅器Aiと位相補償回路Ciの一実施例を示す。図中、21は差動増幅器であり、MOSトランジスタQ21〜Q25から成る。22は出力段であり、MOSトランジスタQ26,Q27から成る。差動増幅器21の2個の入力端子のうち、一方には基準電圧VRが入力され、他方には出力段からVLが帰還されている。Ciは位相補償回路であり、抵抗RDとキャパシタCDが直列に接続されている。この回路の帰還をかけないときの小信号等価回路を図30(b)に示す。簡単のため、負荷が単独の容量CLである場合を示してある。ここで、gm1,gm2はそれぞれ差動増幅器、出力段の伝達コンダクタンス、r1,r2はそれぞれ差動増幅器、出力段の出力抵抗、CGは出力段の入力容量(Q26のゲート容量)である。
FIG. 30A shows an embodiment of the feedback amplifier Ai and the phase compensation circuit C i . In the figure,
この回路の周波数特性を図31(a),(b)を用いて説明する。まず位相補償を施さない場合について述べる。図31(a)は位相補償回路がない場合の周波数対利得の関係である。図中、aは差動増幅器21の利得vi′/vi、bは出力段22の利得vo/vi′、cは総合の利得vo/viである。a,bはそれぞれ、f1,f2なる周波数で6dB/octの割合で低下し始める。ここで、
f1=1/(2πCGr1), f2=1/(2πCLr2)
である。この例ではf1>f2であるから、総合の利得c=Vo/Viは、周波数がf2を越えると6dB/octで、さらにf1を越えると12dB/octの割合で低下する。これらの点f2,f1がいわゆるポール周波数である。前述のように、帰還増幅器が安定に動作するためには、12dB/octで低下し始める点(ここではf1)における利得が0dB以下でなければならない。図から明らかなように、f1とf2とが比較的近接していると、この条件が満たされないことが多い。図31(a)では満たされていない。したがって、f1とf2とを十分離すことによって、帰還増幅器を安定化することができる。
The frequency characteristics of this circuit will be described with reference to FIGS. 31 (a) and 31 (b). First, the case where phase compensation is not performed will be described. FIG. 31A shows the relationship between frequency and gain when there is no phase compensation circuit. In the figure, a is the gain v i '/ v i, b is the
f 1 = 1 / (2πC G r 1 ), f 2 = 1 / (2πC L r 2 )
It is. In this example, since f 1 > f 2 , the total gain c = V o / V i decreases at a rate of 6 dB / oct when the frequency exceeds f 2 and further decreases at a rate of 12 dB / oct when the frequency exceeds f 1. . These points f 2 and f 1 are so-called pole frequencies. As described above, in order for the feedback amplifier to operate stably, the gain at a point (here, f 1 ) that starts to decrease at 12 dB / oct must be 0 dB or less. As is apparent from the figure, this condition is often not satisfied when f 1 and f 2 are relatively close to each other. It is not satisfied in FIG. Therefore, the feedback amplifier can be stabilized by sufficiently separating f 1 and f 2 .
ここで位相補償回路Ciを付加すると、周波数特性が図31(b)のようになる。すなわち、差動増幅器21の利得は変わらないが、出力段の利得はP21,Z2,P22の3ヵ所で折れ曲がった特性になる。P21とP22はポール、Z2は零点と呼ばれる点である。これらの点の周波数は次のとおりである。
Here, when the phase compensation circuit C i is added, the frequency characteristics are as shown in FIG. That is, the gain of the
f21=1/(2π(CDr2+CLr2CDRD))
f22=(CDr2+CLr2CDRD)/(2πCLCDr2RD)
f2=1/(2πCDRD)
この図から明らかなように、f2を差動増幅器のポール周波数f1の近傍に設定することによって、すなわちCDRD≒CGr1とすることによって、総合の利得のf1における折れ曲がりがなくなる。その結果、総合の利得は、周波数がf21を越えると6dB/octで、さらにf22を越えると12dB/octの割合で低下するようになる。ここで、CD=nCGr1/r2、RD=r2/nとしてnを十分大きくすれば、f21とf22とを十分離すことができるので、帰還増幅器を安定化することができる。
f 21 = 1 / (2π (C D r 2 + C L r 2 C D R D ))
f 22 = (C D r 2 + C L r 2 C D R D ) / (2πC L C D r 2 R D )
f 2 = 1 / (2πC D R D )
As is apparent from this figure, by setting f 2 in the vicinity of the pole frequency f 1 of the differential amplifier, i.e. by the C D R D ≒ C G r 1, bent in the f 1 of the total gain Disappears. As a result, the total gain decreases at a rate of 6 dB / oct when the frequency exceeds f 21 and further decreases at a rate of 12 dB / oct when it exceeds f 22 . Here, if n is sufficiently large with C D = nC G r 1 / r 2 and R D = r 2 / n, f 21 and f 22 can be sufficiently separated, so that the feedback amplifier is stabilized. Can do.
図32(a)に帰還増幅器と位相補償回路の他の実施例を示す。この回路では、出力段22の入力と出力との間にキャパシタCFを挿入することによって、位相補償を行っている。この回路の帰還をかけないときの小信号等価回路を図32(b)に、その周波数特性を図33に示す。この場合は、差動増幅器の方の利得が、P11,Z1,P12の3ヵ所で折れ曲がった特性となる。この場合も前実施例
と同様、f1≒f2となるように設定し、f11とf12とを十分離すことによって、帰還増幅器を安定化することができる。本実施例の特徴は、位相補償用のキャパシタCFが増幅段の入力と出力との間に挿入されているため、いわゆるミラー効果により見掛けの静電容量が大きくなることである。したがって、実際の静電容量が比較的小さくても位相補償を行うことができるので、キャパシタの占有面積を低減することができる。
FIG. 32A shows another embodiment of the feedback amplifier and the phase compensation circuit. In this circuit, by inserting a capacitor C F between the input and the output of the
ここで図30(a)もしくは図32(a)の位相補償回路に用いるキャパシタについて説明する。これらのキャパシタとしては、静電容量がかなり大きく(通常数百〜数千pF)、しかも電圧依存性の小さいものが必要である。図34(a)に通常のCMOSプロセスでこれを実現する一方法を示す。図中、101はP形の半導体基板、102はN形ウェル、103はN+拡散層、104はアイソレーション用のSiO2、105はゲート絶縁膜、106はゲートである。キャパシタは、通常のMOSキャパシタと同じように、ゲート絶縁膜105をはさんで、ゲート106と基板表面102aとの間に形成される。キャパシタ絶縁膜として薄いゲート絶縁膜を用いているために、比較的小面積で大きな静電容量が得られるのが特徴である。ただし、通常のMOSキャパシタと異なる点は、ゲート下にNウェルがあるために、しきい値電圧が負であることである。これを図34(b)を用いて説明する。横軸はキャパシタに印加する電圧(ゲート側が正)、縦軸は静電容量である。しきい値電圧(フラットバンド電圧)は、静電容量が大きく変化するときの印加電圧V0であるが、V0<0である。したがって、ゲート側が正になるように一方向の電圧が印加されるかぎり、その収電容量はほとんど一定であるという特徴がある。双方向の電圧が印加されうる場合は、図34(a)に示したキャパシタを2個用い、図34(c)のように互いに逆方向に並列接続すればよい。
Here, a capacitor used in the phase compensation circuit of FIG. 30A or FIG. 32A will be described. These capacitors are required to have a considerably large capacitance (usually several hundred to several thousand pF) and a small voltage dependency. FIG. 34 (a) shows one method for realizing this in a normal CMOS process. In the figure, 101 is a P-type semiconductor substrate, 102 is an N-type well, 103 is an N + diffusion layer, 104 is SiO 2 for isolation, 105 is a gate insulating film, and 106 is a gate. The capacitor is formed between the
本実施例のキャパシタを作るのに必要な工程は、ウェル形成,アイソレーション領域形成,ゲート絶縁膜形成,ゲート形成,拡散層形成、および配線の各工程であるが、これらはいずれも通常のCMOSプロセスに含まれている工程である。したがって、CMOSプロセスで作られる半導体装置ならば、本キャパシタを作るために特に工程を追加する必要はない。 The steps necessary to make the capacitor of this embodiment are well formation, isolation region formation, gate insulating film formation, gate formation, diffusion layer formation, and wiring steps, all of which are ordinary CMOS. It is a process included in the process. Therefore, in the case of a semiconductor device manufactured by a CMOS process, it is not necessary to add a special process for manufacturing this capacitor.
また、本発明を適用する半導体装置によっては、積層容量が利用できることがある。たとえば、積層容量をメモリセルのキャパシタとして用いたDARMがそうである。このような場合は、積層容量を位相補償用キャパシタとして用いてもよい。積層容量を用いたDRAMについては、アイ・イー・イー・イー,ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サーキッツ,第15巻、第4号,第661頁から第666頁,1980年8月(IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.SC−22,No.3,pp.661−666,Aug.1980)に記述されている。 Further, depending on the semiconductor device to which the present invention is applied, a stacked capacitor may be used. For example, DARM using a stacked capacitor as a capacitor of a memory cell. In such a case, the multilayer capacitor may be used as a phase compensation capacitor. Regarding DRAMs using stacked capacitors, IEE, Journal of Solid State Circuits, Vol. 15, No. 4, pages 661 to 666, August 1980 (IEEE Journal) of Solid-State Circuits, Vol. SC-22, No. 3, pp. 661-666, Aug. 1980).
[基準電圧発生回路]
次に、本発明による電圧リミッタ回路に用いるのに適した基準電圧発生回路について説明する。なお、ここで述べる基準電圧発生回路は、位相補償を施していない電圧リミッタ回路にもちろん用いることができる。また、グループ1で説明した実施例を応用することができることもいうまでもない。
[Reference voltage generator]
Next, a reference voltage generation circuit suitable for use in the voltage limiter circuit according to the present invention will be described. The reference voltage generation circuit described here can of course be used for a voltage limiter circuit that is not subjected to phase compensation. Needless to say, the embodiment described in the
電気リミッタの出力電圧VLは、基準電圧VRを基に作られる。したがって、VRの特性によって、VLの特性を任意に設定できる。半導体装置において電圧リミッタ回路を使用する際には、VLの外部電源電圧VCC依存性が特に重要であるから、VRのVCC依存性に特に留意して設計する必要がある。これに関しては、種々の目的に応じた特性例とその発生法が、特願昭56−57143,特願昭56−168698,特願昭57−220083,特願昭60−261213,特願昭63−8372,特願昭63−125742,米国特許第4100437号などに開示されている。これらの回路が本発明に適用可能なことはいうまでもない。 The output voltage V L of the electric limiter is generated based on the reference voltage V R. Therefore, the V L characteristic can be arbitrarily set according to the V R characteristic. When a voltage limiter circuit is used in a semiconductor device, the dependency of V L on the external power supply voltage V CC is particularly important, and therefore it is necessary to design with particular attention to the V CC dependency of V R. In this regard, characteristic examples according to various purposes and generation methods thereof are described in Japanese Patent Application No. 56-57143, Japanese Patent Application No. 56-168698, Japanese Patent Application No. 57-220083, Japanese Patent Application No. 60-2611213, Japanese Patent Application No. 63. No. 8372, Japanese Patent Application No. 63-125742, US Pat. No. 4,100,347, and the like. Needless to say, these circuits are applicable to the present invention.
図24〜図27の実施例では、基準電圧VRを直接駆動回路に入力していた。しかし、基準電圧発生回路で得られる電圧は、必ずしも半導体装置内で用いる内部電源電圧として適当な値であるとは限らない。この場合は電圧の変換が必要になる。また、場合によっては、基準電圧の製造プロセスによるばらつきを補償するために、電圧の微調整、いわゆるトリミングが必要になることがある。電圧の変換およびトリミングの方法としては、前記の米国特許第4100437号に記載されている方法を用いてもよいが、ここでは通常のMOSプロセスで作られる半導体装置に適した方法を紹介する。 24 to 27, the reference voltage V R is directly input to the drive circuit. However, the voltage obtained by the reference voltage generation circuit is not necessarily an appropriate value as the internal power supply voltage used in the semiconductor device. In this case, voltage conversion is required. In some cases, fine adjustment of the voltage, so-called trimming, may be necessary to compensate for variations in the reference voltage due to the manufacturing process. As a method for voltage conversion and trimming, the method described in the aforementioned US Pat. No. 4,100,347 may be used. Here, a method suitable for a semiconductor device manufactured by a normal MOS process is introduced.
図35に回路図を示す。図中、DAは差動増幅器、Q31〜Q43はPチャネルMOSトランジスタ、F1〜F8はヒューズである。VRが入力電圧(基準電圧発生回路の出力)、VR′が出力電圧(駆動回路の入力となる)である。DAの入力端子の一方には、VRが入力され、他方にはVR′をMOSトランジスタQ31〜Q42によって分割したVR″が帰還されている。DAの増幅率が十分大きいとすれば、出力電圧VR′は次式で与えられる。 FIG. 35 shows a circuit diagram. In the figure, DA is a differential amplifier, Q 31 to Q 43 are P-channel MOS transistors, and F 1 to F 8 are fuses. V R is the input voltage (output of the reference voltage generation circuit), and V R ′ is the output voltage (input of the drive circuit). V R is input to one of the input terminals of DA, and V R ″ obtained by dividing V R ′ by MOS transistors Q 31 to Q 42 is fed back to the other. If the amplification factor of DA is sufficiently large, For example, the output voltage V R ′ is given by the following equation.
VR′=((R1+R2)/R2)・VR
ここで、R1はQ31〜Q38から成る回路を等価的に抵抗とみなしたときの抵抗値、R2はQ39〜Q42から成る回路を等価的に抵抗とみなしたときの抵抗値である。ヒューズを切断することによりR1,R2が変わるので、VR′を調整することができる。
V R '= ((R 1 + R 2 ) / R 2 ) · V R
Here, R 1 is a resistance value when a circuit composed of Q 31 to Q 38 is regarded as equivalently a resistance, and R 2 is a resistance value when a circuit composed of Q 39 to Q 42 is regarded as a resistance equivalently. It is. Since R 1 and R 2 are changed by cutting the fuse, V R ′ can be adjusted.
具体的なトリミングの方法を図36を用いて説明する。この図は、入力VRと出力VR′との関係を示したものである。図中、dがヒューズを全く切断しないときの特性である。ヒューズF1,F2,F3を順に切断すると、上記R1が大きくなるので、c,b,aで示すようにVR′は高くなる。ヒューズF4,F5,F6を順に切断すると、上記R2が大きくなるので、e,f,gで示すようにVR′は低くなる。したがって、まずVRを観測し、図13を見てVR′が最も目標値VR0′に近くなるように、ヒューズの切断方法を選択すればよい。われわれの目標は、VRが広い範囲でばらついても、VR′がある範囲内VR0′±ΔVR′に入るようにすることである。そのためには、図中に破線で示したように、あるトリミング方法(たとえばa)を採用したときにVR′=VR0′+ΔVR′になるときに、それと隣接するトリミング方法(たとえばb)を採用するとVR′=VR0′−ΔVR′になるように、回路定数(各MOSトランジスタのチャネル幅/チャネル長)を選んでおけばよい。 A specific trimming method will be described with reference to FIG. This figure shows the relationship between the input V R and the output V R ′. In the figure, d is a characteristic when the fuse is not cut at all. When the fuses F 1 , F 2 , and F 3 are cut in order, R 1 increases, so that V R ′ increases as indicated by c, b, and a. When the fuses F 4 , F 5 , and F 6 are cut in order, R 2 increases, so that V R ′ decreases as indicated by e, f, and g. Therefore, first, V R is observed, and the fuse cutting method may be selected so that V R ′ is closest to the target value V R0 ′ by referring to FIG. Our goal is to V R is also varied in a wide range, to enter the V R 'is a range in V R0 with' ± ΔV R '. For this purpose, as shown by a broken line in the figure, when a certain trimming method (for example, a) is adopted, when V R ′ = V R0 ′ + ΔV R ′, the adjacent trimming method (for example, b) The circuit constant (channel width / channel length of each MOS transistor) may be selected so that V R ′ = V R0 ′ −ΔV R ′.
図37にトリミング回路の他の実施例を示す。出力電圧VR′を低くするときは、図35と同様に、ヒューズF4,F5,F6を順に切断すればよい。図35との相違点は、出力電圧VR′を高くする方法にある。この場合は、まずヒューズF7を切断し(この時点で入出力特性は図36のhのようになるように回路定数を選んでおく)、次にF4,F5,F6を順に切断していけばよい。本回路は、図35の回路よりもヒューズの数が少なく、したがって占有面積を小さくできるという利点がある。 FIG. 37 shows another embodiment of the trimming circuit. When lowering the output voltage V R ′, the fuses F 4 , F 5 , and F 6 may be cut in order as in FIG. The difference from FIG. 35 is in the method of increasing the output voltage V R ′. In this case, the fuse F 7 is first cut (circuit constants are selected so that the input / output characteristics are as shown in h in FIG. 36), and then F 4 , F 5 , and F 6 are cut sequentially. Do it. This circuit has an advantage that the number of fuses is smaller than that of the circuit of FIG.
図35および図37に示した回路は、前記米国特許に記載されている回路に比べて、通常のMOSプロセスで作った場合の占有面積が小さいという利点がある。すなわち、米国特許に記載されている回路では、出力電圧VR′を分割するための素子として、抵抗を用いていたのに対し、図35および図37の回路ではMOSトランジスタを用いている。回路の消費電流を低減するためには、電圧分割用素子の等価抵抗はかなり大きく(数百kπ程度)しなければならない。通常のMOSプロセスでは、抵抗よりもMOSトランジスタの方が、小面積で等価抵抗の大きい素子が得られる。ただし、MOSトランジスタを用いると、そのしきい値電圧の変動によってVR′の特性が変動することが懸念されるが、各トランジスタのチャネル幅・チャネル長を十分大きくしてばらつきを抑え、バックゲートをソースに接続して基板電位変動の影響を回避し、さらにしきい値電圧のばらつき分も見込んでヒューズの切断方法を選択することにより、解決できる。 The circuits shown in FIGS. 35 and 37 have an advantage that the occupied area is small when manufactured by a normal MOS process as compared with the circuit described in the above-mentioned US patent. That is, in the circuit described in the US patent, a resistor is used as an element for dividing the output voltage V R ′, whereas in the circuits of FIGS. 35 and 37, a MOS transistor is used. In order to reduce the current consumption of the circuit, the equivalent resistance of the voltage dividing element must be considerably large (about several hundred kπ). In a normal MOS process, an element having a smaller area and a larger equivalent resistance can be obtained with a MOS transistor than with a resistor. However, when MOS transistors are used, there is a concern that the characteristics of V R ′ may fluctuate due to fluctuations in the threshold voltage. However, the channel width and channel length of each transistor are sufficiently increased to suppress variations, and back gates This can be solved by connecting the source to the source to avoid the influence of the substrate potential fluctuation and further selecting the method for cutting the fuse in consideration of the variation of the threshold voltage.
次に、トリミング回路に用いるMOSトランジスタについて、図38(a),(b)によって説明する。前述のように、各トランジスタのバックゲートは、基板電位変動の影響を抑えるために、それぞれのソースに接続することが望ましい。たとえば、基板がP形の場合は、図38(a)に示すようなPチャネルMOSトランジスタを用いればよい。基板がN形の場合は、図38(a)において導電形をすべて逆にしたNチャネルMOSトランジスタを用いればよい。また、図38(b)のように、二重のウェル構造にして、外側のウェル112の電位を固定(ここでは接地)することにより、基板電位変動に対してさらに強くすることができる。 Next, MOS transistors used in the trimming circuit will be described with reference to FIGS. As described above, the back gate of each transistor is preferably connected to each source in order to suppress the influence of substrate potential fluctuation. For example, when the substrate is P-type, a P-channel MOS transistor as shown in FIG. In the case where the substrate is N-type, an N-channel MOS transistor in which all conductivity types are reversed in FIG. Further, as shown in FIG. 38B, by making a double well structure and fixing the potential of the outer well 112 (here, grounded), the substrate potential can be further enhanced.
次に、トリミング回路に用いるヒューズについて説明する。ヒューズとしては、たとえば多結晶シリコンなど、半導体メモリの欠陥救済に用いられているものと同じものが利用できる。したがって、欠陥救済回路を有する半導体メモリならば、ヒューズを作るために特に工程を追加する必要はない。ヒューズの切断方法は、レーザ光を用いる方法でも、電気的な方法でもよい。レーザ光を用いる方法には、切断用のトランジスタが不要であるため、占有面積を小さくできるという利点があり、電気的な方法には、高価なレーザ光照射装置を用いなくてもよいという利点がある。 Next, the fuse used for the trimming circuit will be described. As the fuse, for example, the same one as used for defect repair of a semiconductor memory, such as polycrystalline silicon, can be used. Therefore, in the case of a semiconductor memory having a defect relieving circuit, it is not necessary to add a special process for making a fuse. The method for cutting the fuse may be a method using laser light or an electrical method. Since the method using laser light does not require a transistor for cutting, there is an advantage that the occupied area can be reduced, and the electric method has an advantage that an expensive laser light irradiation device need not be used. is there.
図39(a)にVRからVR′への変換回路の他の実施例を示す。図35あるいは図37の回路との相違点は、PチャネルMOSトランジスタQ48を追加したことである。これにより、出力電圧VR′の最大値はVCC−|VTP|(VTPはPチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧)に抑えられる。これを図39を用いて説明する。この図は、VRとVR′のVCC依存性を示したものである。図35あるいは図37の回路では、VCCが低いときVR′≒VCCである。しかし図39(a)の回路では、Q48の追加により、VCCが低いときVR′=VCC−|VTP|と、|VTP|の分だけ低くなる。 FIG. 39A shows another embodiment of the conversion circuit from V R to V R ′. A difference from the circuit of FIG. 35 or FIG. 37 is that a P-channel MOS transistor Q 48 is added. Thereby, the maximum value of the output voltage V R ′ is suppressed to V CC − | V TP | (V TP is the threshold voltage of the P-channel MOS transistor). This will be described with reference to FIG. This figure shows the V CC dependency of V R and V R ′. In the circuit of FIG. 35 or FIG. 37, V R ′ ≈V CC when V CC is low. However, the circuit of FIG. 39 (a) is the addition of Q 48, when V CC is lower V R '= V CC - | a, | | V TP V TP | amount corresponding lower the.
本実施例の利点は、VCCが通常動作状態(たとえば5V)よりもかなり低いとき(たとえば3V)の、内部電源電圧VLの電圧安定度がよいことである。これを図39(c)を用いて説明する。この図は、図30(a)もしくは図32(a)の駆動回路において、VCCが低いときの電力電圧VLと電流ILの関係の一例である。VR′を発生するのに図35あるいは図37の回路を用いた場合は、VCCが低いときはVL≒VR′≒VCCであるから、駆動回路の出力MOSトランジスタ(図30(a)もしくは図32(a)のQ26)のドレイン・ソース間電圧がほとんど0であり、電流駆動能力が小さい。そのため、出力電流(負荷の消費電流)ILが大きくなると、VLが低下してしまう。これに対してVR′を発生するのに図39(a)の回路を用いた場合は、VL≒VR′≒VCC−|VTP|であるから、駆動回路の出力MOSトランジスタのドレイン・ソース間電圧はほぼ|VTP|(この例では0.5V)に等しい。したがって、その電流駆動能力は比較的大きく、VLの低下量は小さい。すなわち、あらかじめVLを少し低く設定しておくことにより、電圧変動量を動作する半導体装置内の回路の、VCCが低いときの動作がより安定になり、VCCに対する動作マージンが大きくなる。 The advantage of this embodiment is that the voltage stability of the internal power supply voltage V L is good when V CC is considerably lower (eg, 3 V) than the normal operating state (eg, 5 V). This will be described with reference to FIG. This figure is an example of the relationship between the power voltage V L and the current I L when V CC is low in the drive circuit of FIG. 30 (a) or FIG. 32 (a). When the circuit of FIG. 35 or FIG. 37 is used to generate V R ′, when V CC is low, V L ≈V R ′ ≈V CC , so that the output MOS transistor (FIG. The drain-source voltage in a) or Q 26 ) of FIG. 32A is almost zero, and the current driving capability is small. Therefore, when the output current (load consumption current) I L increases, V L decreases. On the other hand, when the circuit of FIG. 39A is used to generate V R ′, V L ≈V R ′ ≈V CC − | V TP |, so that the output MOS transistor of the drive circuit The drain-source voltage is approximately equal to | V TP | (0.5 V in this example). Therefore, the current drive capability is relatively large and the amount of decrease in V L is small. That is, by setting VL slightly lower in advance, the operation of the circuit in the semiconductor device that operates the amount of voltage fluctuation is more stable when V CC is low, and the operation margin with respect to V CC is increased.
なお、図39(a)の回路Q48も、前述のトリミング回路のMOSトランジスタと同様、基板電位変動の影響を抑えるために、図38(a),(b)に示す構造にしておくのが望ましい。 Note that the circuit Q 48 in FIG. 39 (a) also has the structure shown in FIGS. 38 (a) and 38 (b) in order to suppress the influence of substrate potential fluctuations, like the MOS transistor in the trimming circuit described above. desirable.
[チップ内配置・配線]
次に、本発明を実際の半導体チップ内に実装する場合の、回路配置方法、ならびに基準電圧VRや内部電源電圧VLの配線方法について述べる。本発明を適用する半導体装置として、ここではDRAMを例に取り上げるが、もちろん他の半導体装置にも本発明は適用可能である。また、ここで述べる配置・配線方法は、位相補償を施していない電圧リミッタ回路に対しても有効である。
[In-chip placement / wiring]
Then, when implementing the present invention in actual semiconductor chip, circuit layout method, and describes how to wire the reference voltage V R and the internal power supply voltage VL. Here, a DRAM is taken as an example of a semiconductor device to which the present invention is applied, but the present invention is naturally applicable to other semiconductor devices. The arrangement / wiring method described here is also effective for a voltage limiter circuit that is not subjected to phase compensation.
図40に電圧リミッタ回路をDRAMに適用した場合の、望ましい回路配置および配線の一例を示す。図中、1は半導体チップ、2a,2bは微細MOSトランジスタで構成されているメモリアレー、3a,3b,3cは周辺回路である。4,5はそれぞれ接地VGND、外部電源電圧VCC用のボンディングパッド、6は基準電圧発生回路、7a,7b,7c,7dは駆動回路である。6と7a〜7dとにより電圧リミッタ回路を構成している。7a,7b,7cはそれぞれ、周辺回路3a,3b,3cを駆動する内部電源電圧VL1,VL2,VL3を発生する。7dはメモリアレー2a,2bを駆動する内部電源電圧VL4を発生する。 FIG. 40 shows an example of a desirable circuit arrangement and wiring when the voltage limiter circuit is applied to a DRAM. In the figure, 1 is a semiconductor chip, 2a and 2b are memory arrays formed of fine MOS transistors, and 3a, 3b and 3c are peripheral circuits. 4 and 5 are ground V GND and a bonding pad for the external power supply voltage V CC , 6 is a reference voltage generating circuit, and 7a, 7b, 7c and 7d are drive circuits. 6 and 7a to 7d constitute a voltage limiter circuit. 7a, 7b and 7c generate internal power supply voltages V L1 , V L2 and V L3 for driving the peripheral circuits 3a, 3b and 3c, respectively. 7d generates an internal power supply voltage V L4 for driving the memory arrays 2a and 2b.
本実施例の特徴は、基準電圧発生回路6と駆動回路7a〜7dとを分離し、基準電圧発生回路は接地電位入力用ボンディングパッドの近傍に、駆動回路はそれぞれの負荷回路の近傍に配置したことである。そのため、接地電位入力用ボンディングパッドから基準電圧発生回路までの接地配線8、および各駆動回路から各負荷回路までの内部電源電圧配線11a〜11dが短くなり、それらのインピーダンスが小さくなる。これにより、配線8上の雑音が減少するので、基準電圧発生回路の接地レベルが安定し、安定な基準電圧VRが得られる。また、配線11a〜11dのインピーダンスによる内部電源電圧VL1〜VL4の電圧降下が減少するので、VL1〜VL4のレベルが安定し、負荷回路の動作が安定になる。
The feature of this embodiment is that the reference
本実施例のもう一つの特徴は、接地配線の方法にある。まず、基準電圧発生回路用としては、専用の短い配線8を設ける。他の回路用としては、配線9a〜9dを設ける。すなわち、各駆動回路とその負荷回路とは共通の線で配線するが、他の駆動回路や負荷回路とは分離する。この配線方式の利点は、各回路が動作するときに流れる電流によって接地配線上に発生する雑音が、他の回路に悪影響を与えるのを防止できることである。特に、基準電圧発生回路の接地配線に雑音が生ずると、すべての内部電源電圧VL1〜VL4のレベルが変動するので、基準電圧発生回路用の接地配線だけは必ず他の接地配線とは分離しておくことが望ましい。また、メモリアレー用の接地配線も他の接地配線と分離しておくことが望ましい。なぜならば、DRAMではセンスアンプが増幅動作を行うとき、多数のデータ線(その容量は通常数千pF)が同時に充放電され、接地配線に大きな雑音が発生するからである。
Another feature of this embodiment is the ground wiring method. First, a dedicated
図41に回路配置および配線の他の実施例を示す。本実施例では、周辺回路3がチップの中央に集中して配置され、さらに接地および外部電源電圧VCC用のボンディングパッド4,5もチップの中央に配置されている。本実施例でも、基準電圧発生回路6は接地電位入力用ボンディングパッドの近傍に、駆動回路7a,7dはそれぞれの負荷回路の近傍に配置されている。
FIG. 41 shows another embodiment of circuit arrangement and wiring. In this embodiment, the
この実施例の利点は、図41から明らかなように、配線長が短くなることである。これにより、外部電源電圧VCCの変動や負荷回路に流れる電流の変動に対して強くなる。すなわち、前実施例では、VCC用ボンディングパッドと各駆動回路との間の配線10が長いため、そのインピーダンスが大きく、負荷回路の消費電流によってVCCのレベルが低下する。もちろんこの低下分は各駆動回路で吸収するようになっているが、低下量があまりに大きいと吸収しきれなくなり、内部電源電圧VLのレベルの低下を招くことがある。これに対して本実施例では、VCC配線10のインピーダンスが小さいので、その分大きな負荷電流を流すことができる。またVCCの低下に対しても強い。
The advantage of this embodiment is that the wiring length is shortened, as is apparent from FIG. Thereby, it becomes strong against the fluctuation of the external power supply voltage V CC and the fluctuation of the current flowing through the load circuit. That is, in the previous embodiment, since the
図40もしくは図41において、接地配線の雑音を特に問題にしているのは、基準電圧VRおよび内部電源電圧VLiが接地電位を基準にして発生されるからである。逆に、VR,VLiが外部電源電圧VCCを基準として発生される場合は、VCC配線の雑音の方が問題になる。この場合は、基準電圧発生回路をVCCボンディングパッドの近傍に配置し、VCC用配線を各回路ごとに分離すればよい。 In FIG. 40 or 41, the ground wiring noise is particularly problematic because the reference voltage V R and the internal power supply voltage V Li are generated with reference to the ground potential. Conversely, when V R and V Li are generated based on the external power supply voltage V CC , the noise of the V CC wiring becomes a problem. In this case, the reference voltage generation circuit may be disposed in the vicinity of the V CC bonding pad, and the V CC wiring may be separated for each circuit.
なお、図40もしくは図41に示した配置・配線方法において、基準電圧VRを基準電圧発生回路から各駆動回路まで配線しているが、この配線12にはシールドを施しておくのが望ましい。半導体チップ内の他の回路から雑音を受けてVRが変動するのを防ぐためである。通常の半導体製造プロセスで実現できるシールド方法の例を次に説明する。
In the arrangement / wiring method shown in FIG. 40 or 41, the reference voltage V R is wired from the reference voltage generation circuit to each drive circuit, but it is desirable to shield this
図42(a),(b)に、シールドを施した配線の一実施例のそれぞれ平面図および断面図を示す。図中、101は半導体基板、104はSiO2、108は第1の配線層、109a,109b,109cは第2の配線層、113,114は層間絶縁膜、115は保護膜である。109bが基準電圧VRの配線である。その周囲の108,109,109cがシールド用の配線であり、一定電位(ここでは接地)に固定されている。109bの下方に108を設けたことにより基板101との容量結合による雑音を防止でき、左右に109a,109cを設けたことにより隣接する配線(図示せず)との容量結合による雑音を防止できる。図42(c)および(d)は、シールドを施した配線の他の実施例である。本実施例では、VRを第1の配線層108bで配線し、その左右(108a,108
c)、下方(106)および上方(109)にそれぞれシールド用配線を設けている。上方にもシールド配線を設けることにより、上方の空間を通した容量結合による雑音をも防止でき、シールドがより効果的になる。
FIGS. 42A and 42B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of one embodiment of the shielded wiring. In the figure, 101 is a semiconductor substrate, 104 is SiO 2 , 108 is a first wiring layer, 109a, 109b and 109c are second wiring layers, 113 and 114 are interlayer insulating films, and 115 is a protective film. Reference numeral 109b denotes a reference voltage V R wiring. The
c) Shield wirings are provided on the lower side (106) and the upper side (109), respectively. By providing the shield wiring also on the upper side, noise due to capacitive coupling through the upper space can be prevented, and the shield becomes more effective.
さらに図61(a),(b)のように、コンタクト孔116a,116c、およびスルーホール117a,117cを設けてシールド用配線同士を接続すれば、シールドが完全になる。図61(c),(d)にシールドを施した配線の他の実施例を示す。本実施例では、多結晶シリコン層106がVRの配線である。その下方にはウェル112が形成され、P形拡散層107a,107c、およびコンタクト孔116a,116cを介して、上方の第1の配線層108に接続されている。すなわち、106の周囲を112,107a,116a,108,116c,107cで囲むことによりシールドしている。本実施例の利点は、シールドに第2の配線層を使用していないので、これを図61(c)の109に示すように、他の目的に使用できることである。これは、たとえばVRの配線と他の配線とが交差する部分に使用するのに有効である。
Further, as shown in FIGS. 61A and 61B, if the contact holes 116a and 116c and the through holes 117a and 117c are provided and the shield wirings are connected to each other, the shield is completed. 61 (c) and 61 (d) show other embodiments of the shielded wiring. In this embodiment, the
なお、以上のようなシールドにより、VRと接地との間に寄生容量が付くが、これはむしろ好ましい効果をもたらす。この寄生容量は、VR配線の高周波に対するインピーダンスを低減させ、高周波雑音をバイパスさせる、いわゆるデカップリングコンデンサとして働くからである。シールド線だけでは、デカップリングコンデンサとして静電容量が不足の場合は、別にキャパシタと負荷してももちろんさしつかえない。 Note that the shield as described above causes a parasitic capacitance between V R and the ground, but this has a preferable effect. This parasitic capacitance reduces the impedance to the high frequency of V R wiring, thereby bypassing the high frequency noise, because acts as a so-called decoupling capacitor. If the capacitance is insufficient as a decoupling capacitor with only a shielded wire, it is of course possible to load with a capacitor separately.
上の例では、シールド線を固定する電位は接地電位としているが、安定な電位ならば必ずしも接地電位でなくてもよい。しかし、接地電位にするのが、最も簡単であり、しかも上に述べたように寄生容量がデカップリングコンデンサとして働くので望ましい。特に、基準電圧発生回路用の接地配線(図40,図41に示す8の部分)に接続するのが、他の回路の動作によって発生する雑音を避ける意味でよい。前述のようにVRがVCCを基準にして発生される場合は、シールド線はVCCに固定する方がよい。
In the above example, the potential for fixing the shield line is the ground potential. However, it may not necessarily be the ground potential as long as it is a stable potential. However, the ground potential is the simplest and is desirable because the parasitic capacitance acts as a decoupling capacitor as described above. In particular, connection to the ground wiring for the reference voltage generation circuit (
図43に回路配置および配線の他の実施例を示す。図中、1は半導体メモリチップ、3は周辺回路、7a,7b,7cはそれぞれ内部電源電圧VLを発生する駆動回路、14a,14b,14c,14dは駆動回路の出力を電源として用いて電圧振幅VLのパルスφP1,φP2,φP3,φP4を発生するパルス発生回路、2a,2b,2c,2dはそれぞれφP1,φP2,φP3,φP4によって動作する微細MOSトランジスタを用いたメモリアレーである。なお、ここでは基準電圧発生回路は、記載を省略してある。図44にこれらの回路の動作タイミングを示す。
FIG. 43 shows another embodiment of circuit arrangement and wiring. In the figure, 1 is a semiconductor memory chip, 3 is a peripheral circuit, 7a, 7b and 7c are drive circuits for generating an internal power supply voltage VL , and 14a, 14b, 14c and 14d are voltages using the output of the drive circuit as a power supply.
本実施例の半導体メモリチップ1には単一の外部電源電圧VCC(たとえば5V)が印加されている。駆動回路7a,7b,7cからはVCCから降下させた内部電源電圧VL(たとえば3V)が出力され、パルス発生回路14a,14b,14c,14dにそれぞれ入力されている。そして、パルス発生回路には図44に示すタイミングパルスφTと、アドレス信号aiと逆相の/aiが入力されている。
A single external power supply voltage V CC (for example, 5 V) is applied to the
周辺回路3は、外部アドレス信号Aiを受けて内部アドレス信号aiおよび/aiを、外部制御信号(ここではロウアドレスストローブ信号/RAS,カラムアドレスストローブ/CAS、および書込みエネーブル信号/WE)を受けて内部タイミングパルスφTを発生する。周辺回路は、チップの集積度にはあまり影響しないのであえて微細素子を用いる必要がないこと、および注飛インタフェースの都合により、外部電源電圧VCCで直接動作させているが、もちろん内部電源電圧で動作させてもよい。
メモリはアドレスによって選択されたアレーのみが動作する。この例では、ai=“0”(/ai=“1”)のときアレー2aと2cが選択(2bと2dは非選択)、ai=“1”(/ai=“0”)のときアレー2bと2dが選択(2aと2cは非選択)の状態となる。そのために、選択されたアレー用のパルスのみが出力される。すなわち、図44に示すように、ai=“0”のときは、パルス発生回路14aと14cがタイミングパルスφTによりφP1,φP3を出力してアレー2aと2cを、逆にai=“1”のときは、パルス発生回路14bと14dがタイミングパルスφTによりφP2,φP4を出力してアレー2bと2dを動作させる。
Only the array selected by the address operates as the memory. In this example, when a i = "0" (/ a i = "1"), arrays 2a and 2c are selected (2b and 2d are not selected), and a i = "1" (/ a i = "0") ), The
本実施例の特徴は、各駆動回路を各パルス発生回路に近接して配置し、しかもパルス発生回路14bと14cとで駆動回路7bを共有していることである。そのため、図3に比べて配線が短くなり、配線のインピーダンスが小さくなり、これによって発生する雑音のレベルを抑えることができる。また、図4に比べて、駆動回路数が1個減り、これによってチップ占有面積と消費電力の低減が実現できる。しかも、パルス発生回路14bと14cとは同時には動作しないので、駆動回路7bは1個のパルス発生回路のみを駆動できればよく、電流駆動能力を2倍にする必要はない。 The feature of this embodiment is that each drive circuit is arranged close to each pulse generation circuit, and the pulse generation circuits 14b and 14c share the drive circuit 7b. Therefore, the wiring is shorter than that in FIG. 3, the impedance of the wiring is reduced, and the level of noise generated thereby can be suppressed. Further, the number of drive circuits is reduced by one as compared with FIG. 4, thereby realizing reduction of the chip occupation area and power consumption. In addition, since the pulse generation circuits 14b and 14c do not operate simultaneously, the drive circuit 7b only needs to drive one pulse generation circuit, and it is not necessary to double the current drive capability.
パルス発生回路14a〜14dは、たとえば図45(a),(b)に示した回路で実現できる。図45(a)において、51は、PチャネルMOSトランジスタQ51,Q52とNチャネルMOSトランジスタQ53,Q54から成る2入力NAND回路である。この回路の電源はVCCであり、入力はタイミングパルスとアドレス信号ai(または/ai)である。52は、PチャネルMOSトランジスタQ55とNチャネルMOSトランジスタQ56から成るインバータであり、その電源はVLである。aiが“1”(電位VCC)のときにφTが入力されると、内部電源VLの振幅のパルスφPが入力される。なお、ここではNAND回路は外部電源電圧VCCで動作させているが、内部電源電圧VLで動作させてもよい。 The pulse generation circuits 14a to 14d can be realized by the circuits shown in FIGS. 45 (a) and 45 (b), for example. In FIG. 45A, reference numeral 51 denotes a 2-input NAND circuit comprising P channel MOS transistors Q 51 and Q 52 and N channel MOS transistors Q 53 and Q 54 . The power source of this circuit is V CC , and the input is a timing pulse and an address signal a i (or / a i ). 52 is an inverter composed of a P-channel MOS transistor Q 55 and an N-channel MOS transistor Q 56, the power source is a V L. When φ T is input when a i is “1” (potential V CC ), a pulse φ P having the amplitude of the internal power supply V L is input. Here, the NAND circuit is operated with the external power supply voltage V CC , but may be operated with the internal power supply voltage V L.
図46は、図43の実施例に比べて、駆動回路の数をさらに1個減らした例である。アドレス信号ai,/ai、タイミングパルスφT、およびパルスφP1〜φP4は、図43で説明したものと同じである。 FIG. 46 is an example in which the number of drive circuits is further reduced by one compared to the embodiment of FIG. Address signals a i and / a i , timing pulse φ T , and pulses φ P1 to φ P4 are the same as those described with reference to FIG.
本実施例では、パルス発生回路14aと14bとで駆動回路7aを、14cと14dとで7bをそれぞれ共有している。そのため、図43の実施例に比べて、駆動回路数が1個減り、これによるチップ面積と消費電力を低減できる。ここで図44に示すように、14aと14b、14cと14dとはそれぞれ同時には動作しない。したがって、駆動回路7aと7bとはそれぞれ1個のパルス発生回路のみを駆動できればよく、駆動能力を2倍にする必要はない。
In this embodiment, the pulse generation circuits 14a and 14b share the
図47は、メモリアレーが8個の分割されている場合に本発明を適用した実施例である。図中、1は半導体チップ、3は周辺回路、2a〜2hはメモリアレー、7a,7bは駆動回路、14a〜14hはパルス発生回路である。本実施例では、8個のアレーのうち2個がアドレス信号ai,ajによって選択され、選択されたアレーのみが動作する。すなわち、aiaj=“00”のときは2aと2e、aiaj=“01”のときは2bと2f,aiaj=“10”のときは2cと2g、aiaj=“11”のときは2dと2hがそれぞれ選択される。そのため、選択されたアレー用のパルスφPk(k=1〜8)のみが出力される。すなわち、図48に示すように、アドレス信号aiaj=“00”のときはパルスφP1φP5、aiaj=“01”のときはパルスφP2とφP6、aiaj=“10”のときはパルスφP3とφP7、aiaj=“11”のときはパルスφP4とφPがそれぞれ出力される。これらのパルスφPk(k=1〜8)は、φTのタイミングで出力されるパルスであり、その振幅は内部電源電圧VLである。 FIG. 47 shows an embodiment in which the present invention is applied when the memory array is divided into eight. In the figure, 1 is a semiconductor chip, 3 is a peripheral circuit, 2a to 2h are memory arrays, 7a and 7b are drive circuits, and 14a to 14h are pulse generation circuits. In this embodiment, two of the eight arrays are selected by the address signals a i and a j , and only the selected array operates. That is, when a i a j = "00", 2a and 2e, when a i a j = "01", 2b and 2f, when a i a j = "10", 2c and 2g, a i a a When j = “11”, 2d and 2h are selected. Thus, only the selected array pulse φ Pk (k = 1 to 8) is output. That is, as shown in FIG. 48, when the address signal a i aj = “00”, the pulses φ P1 φ P5 , and when a i aj = “01”, the pulses φ P2 and φ P6 , a i a j When φ = “10”, pulses φ P3 and φ P7 are output, and when a i aj = “11”, pulses φ P4 and φ P are output, respectively. These pulses φ Pk (k = 1 to 8) are pulses output at the timing of φ T , and the amplitude thereof is the internal power supply voltage V L.
本実施例では、メモリアレーを動作させるための8個のパルス発生回路で2個の駆動回路7a,7bを共有している。このようにすることにより、駆動回路数を大幅に減らすことができ、占有面積と消費電力の低減を実現することができる。 In the present embodiment, two drive circuits 7a and 7b are shared by eight pulse generation circuits for operating the memory array. By doing so, the number of drive circuits can be significantly reduced, and the occupied area and power consumption can be reduced.
[DRAMへの適用例]
最後に、本発明をDRAMに適用した例について述べる。図49は本発明を適用したDRAMの構成図である。図中、201は電源電圧(VCC)供給用ボンディングパッドで、外部電源に接続されている。202は差動増幅器、203は内部降圧された電源電圧(VL)の供給線、204はPチャネルMOSセンスアンプの駆動MOSトランジスタ、205はNチャネルMOSセンスアンプの起動MOSトランジスタ、206はPチャネルMOSセンスアンプ、207はNチャネルMOSセンスアンプ、208はメモリセル、209はPチャネルMOSセンスアンプのN形ウェル部、210はセルアレー部とセンスアンプ部を含むメモリブロック、211はXデコーダ、212はYデコーダ、213はショート・プリチャージ信号線、214は電源線VL/2である。電源電圧VCCは、Xデコーダ,Yデコーダ,ゲート保護ならびに信号発生回路などの周辺回路で使う。内部降圧された電源電圧VLは、本実施例の場合、センスアンプ駆動MOSトランジスタ204につながるPチャネルMOSトランジスタのバックゲート(ウェル)とYデコーダの一部に使っている。
[Example of application to DRAM]
Finally, an example in which the present invention is applied to a DRAM will be described. FIG. 49 is a block diagram of a DRAM to which the present invention is applied. In the figure,
センスアンプのようないわゆるCMOS回路の場合、P形の基板を用いると、PチャネルMOSトランジスタはN形のウェル内に形成されるのが普通である。この場合、図50の断面図に示すように、Nウェル(PチャネルMOSトランジスタのバックゲート)の電位は外部電源電圧VCCではなく、そのソースに供給される動作電圧(この場合はVL)とするのが望ましい。この理由を次に述べる。 In the case of a so-called CMOS circuit such as a sense amplifier, when a P-type substrate is used, a P-channel MOS transistor is usually formed in an N-type well. In this case, as shown in the cross-sectional view of FIG. 50, the potential of the N well (back gate of the P-channel MOS transistor) is not the external power supply voltage V CC but the operating voltage (in this case, V L ) supplied to its source. Is desirable. The reason for this will be described next.
たとえばVCC=5V,VL1=3Vとすると、データ線プリチャージレベルが1.5Vであるから、センスアンプ起動前、PチャネルMOSトランジスタには1.5Vのバックゲートバイアスがかかり、起動後は0Vになる。図6を参照すると、センスアンプ起動前のしきい値電圧(絶対値)は約0.86V、起動後は約0.57Vである。もしNウェル電圧をVCC(=5V)としていると、各々1.1V,0.92Vとなる。これはVL1とした場合に比較してあまりに大きい。図51は、上記DRAMのセンス系の動作速度を、PチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧に対してプロットした図である。同図からわかるように、0.1Vのしきい値電圧上昇は約2nsの遅延に相当するので、この場合Nウェル電圧をVL1(=3V)とすることで約5ns以上の高速化が実現できることがわかる。超高集積化時代のCMOSLSIは、より動作電圧を下げ、基板(ウェル)濃度を上げる(バックゲートバイアス効果が大きくなる)傾向があるので、上記本発明の効果はさらに重要になる。 For example, if V CC = 5V and V L1 = 3V, the data line precharge level is 1.5V. Therefore, before starting the sense amplifier, the P-channel MOS transistor is applied with a back gate bias of 1.5V. It becomes 0V. Referring to FIG. 6, the threshold voltage (absolute value) before activation of the sense amplifier is about 0.86V, and after activation, it is about 0.57V. If the N-well voltage is V CC (= 5V), they are 1.1V and 0.92V, respectively. This is too large compared to the case of V L1 . FIG. 51 is a diagram in which the operating speed of the sense system of the DRAM is plotted against the threshold voltage of the P-channel MOS transistor. As can be seen from the figure, the increase in the threshold voltage of 0.1 V corresponds to a delay of about 2 ns. In this case, the N-well voltage is set to V L1 (= 3 V), thereby realizing a speed increase of about 5 ns or more. I understand that I can do it. Since the CMOS LSI in the ultra-high integration era tends to lower the operating voltage and increase the substrate (well) concentration (back gate bias effect becomes larger), the effect of the present invention becomes more important.
ここで、Nウェル電圧をPチャネルMOSトランジスタに供給される内部電源電圧VLと等しくするにあたり、容量結合などによるNウェル電圧の変動が懸念される。図49に示した実施例は、データ線はVL/2にプリチャージされるので、PチャネルMOSトランジスタが動作するとき、ドレイン電圧が上昇するのもと下降するものとが対を成し、雑音はきわめて小さい。したがって、Nウェル電圧の変動によるラッチアップ等の問題は発生しない。 Here, when making the N-well voltage equal to the internal power supply voltage V L supplied to the P-channel MOS transistor, there is a concern about fluctuations in the N-well voltage due to capacitive coupling or the like. In the embodiment shown in FIG. 49, since the data line is precharged to V L / 2, when the P-channel MOS transistor operates, the drain voltage rises and forms a pair. Noise is very small. Therefore, problems such as latch-up due to fluctuations in the N well voltage do not occur.
以上、センスアンプを例にとって説明したが、同様の手法は、他のCMOS回路に対しても適用できる。またDRAMに限らず、2種類以上の異なる動作電圧を有するCMOS・LSIならば適用可能である。また、本発明の実施例において、半導体の導電形,電位関係をすべて逆にしても、本発明が成立することは明らかである。 The sense amplifier has been described above as an example, but the same technique can be applied to other CMOS circuits. Further, the present invention is not limited to a DRAM, and can be applied to a CMOS LSI having two or more different operating voltages. In the embodiments of the present invention, it is clear that the present invention can be established even if the semiconductor conductivity types and potential relationships are all reversed.
以上説明したように、本発明によれば、電圧リミッタ回路が多くの種類の負荷を駆動する必要があり、また負荷の種類や大きさが動作モードによって変動する場合でも、負荷の種類や動作モードに応じた最適な位相補償が可能になり、電圧リミッタの動作を安定化できる。 As described above, according to the present invention, the voltage limiter circuit needs to drive many types of loads, and even if the type and size of the load vary depending on the operation mode, the type of load and the operation mode It is possible to perform optimum phase compensation according to the voltage limiter and to stabilize the operation of the voltage limiter.
また、内部電圧を電源として用いる負荷回路が半導体チップ内に複数個ある場合、各駆動回路から各負荷回路までの配線を短くすることができるので、雑音レベルを低く抑えることができる。また、駆動回路の駆動能力を増加させることなく、回路数を減らすことができるので、占有面積および消費電力を低減することができる。 Further, when there are a plurality of load circuits using the internal voltage as a power source in the semiconductor chip, the wiring from each drive circuit to each load circuit can be shortened, so that the noise level can be kept low. Further, since the number of circuits can be reduced without increasing the driving capability of the driving circuit, the occupied area and the power consumption can be reduced.
また、内部降圧された動作電圧を用いるCMOS回路において、ウェル内に形成されているトランジスタのバックゲート(ウェル)の電圧を降圧された電圧と等しくすることにより、回路の高速化が可能になる、超高集積化LSIの高信頼性、高速性を併せて実現することができる。 In addition, in a CMOS circuit using an internally reduced operating voltage, the circuit speed can be increased by making the voltage of the back gate (well) of the transistor formed in the well equal to the reduced voltage. The high reliability and high speed of the ultra-high integration LSI can be realized together.
〔第3グループ〕
上記技術の問題点は、内部電圧を外部から検査する方法について考慮されていないことである。たとえば電圧リミッタを有するメモリLSIの場合、電圧リミッタで発生した内部電圧値が設計値から外れていると、内部回路の動作マージンが狭くなったり、誤動作したりする。しかし、メモリLSIをメモリテスタ等で検査する場合、内部電圧値を知ることができないと、上記のような問題は容易に確かめることができない。
[Third group]
The problem with the above technique is that no consideration is given to a method for inspecting the internal voltage from the outside. For example, in the case of a memory LSI having a voltage limiter, if the internal voltage value generated by the voltage limiter deviates from the design value, the operation margin of the internal circuit becomes narrow or malfunctions. However, when the memory LSI is inspected by a memory tester or the like, the above problems cannot be easily confirmed unless the internal voltage value can be known.
内部電圧端子にパッドを設けて、そのパッドにメモリテスタを接続すれば、外部から内部電圧値を知ることができる。しかしこの方法には次のような問題点がある。 If a pad is provided at the internal voltage terminal and a memory tester is connected to the pad, the internal voltage value can be known from the outside. However, this method has the following problems.
第1に、パッドからメモリテスタまでの配線が受ける雑音によって、測定値に誤差が生ずる。 First, an error occurs in the measured value due to noise received by the wiring from the pad to the memory tester.
第2に、メモリテスタの入力インピーダンスによって電圧値が変化することがある。 Second, the voltage value may change depending on the input impedance of the memory tester.
第3に、メモリテスタはアナログ電圧を測定することになるので、デジタル信号を取扱うよりも測定に時間がかかる。 Third, since the memory tester measures analog voltages, it takes longer to measure than to handle digital signals.
本実施例の目的は、上記の問題点を解決し、内部電圧を外部からメモリテスタ等で検査することが容易な半導体装置を提供することにある。 An object of the present embodiment is to solve the above-described problems and provide a semiconductor device in which an internal voltage can be easily inspected from the outside with a memory tester or the like.
上記目的を達成するため、本実施例では、外部から指定された電圧と内部電圧とを比較する手段と、その比較結果を出力する手段を設ける。 In order to achieve the above object, in this embodiment, means for comparing a voltage designated from the outside with an internal voltage and means for outputting the comparison result are provided.
外部から指定された電圧と内部電圧とを比較し、その比較結果を出力することにより、外部に取り出す信号はデジタル信号になる。したがって、前述の内部電圧端子から直接取り出す場合に比べて、雑音や測定器の入力インピーダンスの影響を受けにくく、またメモリテスタ等で検査することが容易になる。 By comparing the voltage designated from the outside with the internal voltage and outputting the comparison result, the signal taken out to the outside becomes a digital signal. Therefore, compared to the case of taking out directly from the internal voltage terminal described above, it is less susceptible to noise and the input impedance of the measuring instrument, and it becomes easier to inspect with a memory tester.
以下、図面を参照して本実施例を説明する。以下の説明では、本発明をDRAMに適用した例を示すが、本発明はDRAMに限らず他の半導体装置にも適用できる。 Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the drawings. In the following description, an example in which the present invention is applied to a DRAM is shown, but the present invention is not limited to a DRAM but can be applied to other semiconductor devices.
図52に本実施例を示す。これは電圧リミッタを有するDARMである。図中、1は半導体チップ、2はDRAMのメモリアレー、3はDARMの周辺回路、4は電圧リミッタ、5は比較回路、6はマルチプレクサおよび出力バッファ、8はテストエネーブル信号発生回路である。電圧リミッタ4は、外部電源VCCをもとに、VCCよりも低い内部電源VLを発生する。DRAMの周辺回路3は外部電源VCCによって動作するが、メモリアレー2は内部電源VLの電圧を動作する。
FIG. 52 shows this embodiment. This is a DARM with a voltage limiter. In the figure, 1 is a semiconductor chip, 2 is a DRAM memory array, 3 is a DARM peripheral circuit, 4 is a voltage limiter, 5 is a comparison circuit, 6 is a multiplexer and an output buffer, and 8 is a test enable signal generation circuit. The
本実施例において内部電源VLの電圧を検査する方法について説明する。 A method for inspecting the voltage of the internal power supply V L in this embodiment will be described.
比較回路5は、VLと比較用電圧VSとを比較する。本実施例では、VSを入力する端子は、DRAMのデータ端子Dinと兼用であるが、専用の端子でもよいし、他の端子、たとえばアドレス端子の一つと兼用してもよい。比較回路の出力Cは、マルチプレクサおよび出力バッファ6を介して出力される。本実施例では、Cを出力する端子は、DRAMのデータ出力端子Doutと兼用であるが、専用の端子でもよい。
The
比較出力Cは、VL>VSのときは高レベル、VL<VSのときは低レベルになる。したがって、Dinに印加する比較用電圧VSを変えてDoutを観測することにより、内部電圧VLを知ることができる。 The comparison output C is at a high level when V L > V S and is at a low level when V L <V S. Therefore, the internal voltage V L can be known by changing the comparison voltage V S applied to D in and observing D out .
たとえば、外部電源VCCが、
VCCmin≦VCC≦VCCmax …(1)
の範囲で、VLがVLminよりも高くVLmaxよりも低くなければならないとする。
これを検査するには、まず、DinにVLminを印加してVCCをVCCminからVCCmaxまで変化させ、Doutが常に高レベルであることを確認する。次に、DinにVCCmaxを印加してVCCをVCCminからVCCmaxまで変化させ、Doutが常に低レベルであることを確認すればよい。
For example, if the external power supply V CC is
V CCmin ≦ V CC ≦ V CCmax (1)
In the range of, and V L must be lower than the high V Lmax than V Lmin.
In order to check this, first, V Lmin is applied to D in to change V CC from V CCmin to V CCmax to confirm that D out is always at a high level. Next, V CCmax is applied to D in and V CC is changed from V CCmin to V CCmax to confirm that D out is always at a low level.
このようにDout端子から出力される信号が高レベルか低レベルというデジタル信号であることが、本発明の特徴である。したがって、アナログ電圧を直接出力する場合に比べて、雑音やメモリテスタの入力インピーダンスによる誤差を避けることができ、メモリテスタで検査することが容易になる。 It is a feature of the present invention that the signal output from the D out terminal is a digital signal having a high level or a low level. Therefore, it is possible to avoid errors due to noise and the input impedance of the memory tester, compared to the case of directly outputting the analog voltage, and it is easy to inspect with the memory tester.
テストエネーブル信号TEは、VLを検査するモードであるか、通常の読出し/書込みモードであるかを示す信号である。この信号は、比較回路5をエネーブルするた、およびマルチプレクサおよび出力バッファ6を切り替えるために用いられる。TEを入力するための専用の端子を設けてもよいが、本実施例では、TEを発生するための回路8を設けてある。この回路は、DRAMのロウアドレスストローブ信号(/RAS)、カラムアドレスストローブ信号(/CAS)、および書込みエネーブル信号(/WE)が印加されるタイミングの組合せによってTEを発生する。
The test enable signal TE is a signal indicating whether it is a mode for inspecting VL or a normal read / write mode. This signal is used to enable the
これを図53(a),(b)を用いて説明する。 This will be described with reference to FIGS. 53 (a) and 53 (b).
DRAMでは、通常の読出し/書込みモードのときは、図53(a)のように、/RASは/CASよりも先に印加される。逆に図53(b)のように、/CASが/RASよりも先に印加され、しかもそのときの/WEが低レベルであったとき、回路8は、VL検査モードの指定であると判断し、TEを発生する。なお、/RAS,/CAS,/WEのタイミングの組合せによって特殊な動作モードを指定する方法については、たとえばアイ・エス・エス・シー・シー,ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ,第18頁から第19頁,1987年2月(ISSCC Digest of Technical Papers, pp.18−19,Feb.1987)あるいは、アイ・エス・エス・シー・シー,ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ,第286頁から第287頁,1987年2月(ISSCC Digest of Technical Papers,pp.286−287,Feb.1987)において論じられている。
In the DRAM, in the normal read / write mode, / RAS is applied before / CAS as shown in FIG. As shown in FIG. 53 (b) conversely, / CAS is applied before the / RAS, moreover at that time / W E was low,
ここでVLの検査に用いる専用の信号(VS,C、およびTE)の入出力方法について補足しておく。 Here, a supplementary description will be given of the input / output method of dedicated signals (V S , C, and TE) used for the inspection of V L.
これらの信号の専用の端子を設けてもよいことは、上に述べたとおりである。しかし、図1の実施例では、VSの入力端子はDinと、Cの出力端子はDoutとそれぞれ兼用であり、TEは/RAS,/CAS,/WEのタイミングの組合せにより作られる。この方式の利点は、DRAM本来の端子のみを用いてVLを検査できることである。したがって、ウエハ状態での検査だけでなく、パッケージに組立てた後の検査も可能になる。 As described above, dedicated terminals for these signals may be provided. However, in the embodiment of FIG. 1, the input terminal of V S is shared with D in and the output terminal of C is also used with D out, and TE is made by a combination of timings of / RAS, / CAS, and / WE. The advantage of this method is that VL can be inspected using only the original terminals of the DRAM. Therefore, not only inspection in a wafer state but also inspection after being assembled into a package is possible.
図54に比較回路5の一例を示す。
An example of the
図54において、20はVLおよびVSを入力とし、ノード27を出力とする差動増幅器であり、NチャネルMOSトランジスタ21,22,23とPチャネルMOSトランジスタ24,25から成る。30はノード27を入力としCを出力とするインバータであり、NチャネルMOSトランジスタ31とPチャネルMOSトランジスタ32から成る。VLがVSよりも高いときはノード27が低レベル、出力Cが高レベルになる。VLがVSよりも低いときはノード27が高レベル、出力Cが低レベルになる。
In FIG. 54,
比較回路としては単独の差動増幅器でもよいが、本実施例のように差動増幅器の出力をさらにインバータで増幅するようにした方が、出力Cのレベルに確実に高レベル(≒VCC)、低レベル(≒0V)にできるので望ましい。 As a comparison circuit, a single differential amplifier may be used, but if the output of the differential amplifier is further amplified by an inverter as in this embodiment, the output C level is surely high (≈V CC ). This is desirable because it can be set to a low level (≈0 V).
本回路では、MOSトランジスタ21のゲートにTEが入力されているので、VL検査モードのとき(TEが高レベルのとき)以外は差動増幅器に電流が流れない。これにより通常動作時の消費電力の増加を防止できる。また、通常動作時はPチャネルMOSトランジスタ26が導通しているので、ノード27は高レベルに固定されている。
In this circuit, since TE is input to the gate of the
次に、本発明に用いるマルチプレクサおよび出力バッファ6の実現方法について説明する。
Next, a method for realizing the multiplexer and
図55はマルチプレクサおよび出力バッファの一例である。図55中、41,42、および49〜52はインバータ、43〜48はNAMDゲート、53および54はNチャネルMOSトランジスタである。この回路は、DRAMのデータ出力doutと比較回路の出力Cのうちの一方を選択して、出力端子Doutに出力する回路である。いずれを選択するかは、TE(前述のテストエネーブル信号)およびOE(DRAMの出力エネーブル信号)によって決定される。TEが高レベル,OEが低レベルのとき(VL検査モードのとき)はCが、TE低レベル、OEが高レベルのとき(読出しモードのとき)は、doutが、それぞれ選択・出力される。TE,OEがともに低レベルのとき(書込みモードもしくは待機状態のとき)は出力端子Doutは高インピーダンスである。 FIG. 55 shows an example of a multiplexer and an output buffer. In FIG. 55, 41, 42, and 49 to 52 are inverters, 43 to 48 are NAMD gates, and 53 and 54 are N channel MOS transistors. This circuit is a circuit that selects one of the data output d out of the DRAM and the output C of the comparison circuit and outputs it to the output terminal D out . Which one is selected is determined by TE (the above-described test enable signal) and OE (DRAM output enable signal). When TE is high and OE is low (in VL inspection mode), C is selected, and when TE is low and OE is high (in read mode), dout is selected and output. The When both TE and OE are at a low level (in the write mode or standby state), the output terminal Dout has a high impedance.
図56に本発明の他の実施例を示す。前実施例との相違点は、比較用電圧としてVS1,VS2の2個が入力されており、比較回路5−1,5−2の2個が設けられていることである。 FIG. 56 shows another embodiment of the present invention. The difference from the previous embodiment is that two voltages V S1 and V S2 are input as comparison voltages, and two comparison circuits 5-1 and 5-2 are provided.
比較回路5−1は内部電圧VLとVS1とを、5−2はVLとVS2とをそれぞれ比較する。比較出力C1は、VL>VS1のときは高レベル、VL>VS2のときは低レベルになる。比較出力C2は、VL>VS2のときは低レベル、VL<VS2のときは高レベルになる。外部に出力される信号Cは、C1とC2をANDゲート9によって論理積をとった結果である。
The comparison circuit 5-1 compares the internal voltages V L and V S1 , and 5-2 compares V L and V S2 . Comparison output C 1 may, when the V L> V S1 is at high level, V L> V S2 goes low. Comparison output C 2 may, when the V L> V S2 goes high when the low level, V L <V S2. The signal C output to the outside is the result of logical product of C 1 and C 2 by the AND
本実施例は、データ入力端子と出力端子とが兼用で、4ビット同時に読出し/書込みされる。いわゆる×4ビット構成のDRAMである。そこで、比較用電圧VS1とVS2との入力、および比較結果Cの出力には、4個のデータ入出力端子I/O0〜I/O3のうちの3個を利用している。前実施例のような×1ビット構成DRAMの場合は、たとえばCの出力にはDoutを、VS1,VS2の入力にはDinまたはアドレス端子のうちの2個を利用すればよい。 In this embodiment, the data input terminal and the output terminal are shared and 4 bits are read / written simultaneously. This is a so-called x4 bit DRAM. Therefore, three of the four data input / output terminals I / O 0 to I / O 3 are used for inputting the comparison voltages V S1 and V S2 and outputting the comparison result C. In the case of the × 1 bit configuration DRAM as in the previous embodiment, for example, D out may be used for C output, and D in or two of the address terminals may be used for V S1 and V S2 inputs.
本実施例の利点は、VLがある範囲内にあるか否かが一度の検査でわかることである。たとえば、VLがVLminよりも高くVLmaxよりも低くなければならないとする。これを検査するには、VS1=VLmin,VS2=VLmaxとすればよい。VLmin<VL<VLmaxのときに限り、Cは高レベルになる。 The advantage of the present embodiment is that it can be determined by a single inspection whether or not VL is within a certain range. For example, suppose that V L must be higher than V Lmin and lower than V Lmax . In order to check this, V S1 = V Lmin and V S2 = V Lmax may be set. Only when V Lmin <V L <V Lmax , C is at a high level.
図57に本発明の他の実施例を示す。 FIG. 57 shows another embodiment of the present invention.
前述の2実施例との相違点は、比較用電圧VSをデジタル信号で指定し、それをDA変換することにより比較用電圧VSをDACで作っていることである。本実施例では、デジタル信号S0〜S3の入力端子はアドレス端子Aiと兼用である。 The difference from the above-described two embodiments is that the comparison voltage V S is designated by a digital signal, and the comparison voltage V S is generated by the DAC by DA conversion. In this embodiment, the input terminals for the digital signals S 0 to S 3 are also used as the address terminal A i .
入力されたデジタル信号は、DAコンバータ10によってアナログ電圧VSに変換される。DAコンバータに与える基準電圧は、VCCでもよいが、専用の電圧VRの方が望ましい。内部電圧VLのVCC依存性を測定できるからである。本実施例ではVRの入力端子は、DRAMのデータ入力端子Dinと兼用である。
The input digital signal is converted into an analog voltage V S by the
本実施例の特徴は、出力だけでなく入力デジタル信号であることである。そのため、前実施例に比べてメモリテスタによるテストがさらに容易になる。なお、本実施例では比較用電圧はVS1個だけであるが、前実施例のように2個にしてもよいことはもちろんである。 The feature of this embodiment is that it is not only an output but also an input digital signal. Therefore, the test by the memory tester is further facilitated as compared with the previous embodiment. In this embodiment, there is only one comparison voltage V S , but it goes without saying that it may be two as in the previous embodiment.
次に、本実施例に用いるDAコンバータについて説明する。 Next, the DA converter used in this embodiment will be described.
図58(a)にDAコンバータの一例を示す。図中、61および62はインバータ、Rおよび2Rは抵抗である。ここではインバータ62の電源は基準電圧VRである。端子S0〜S3からデジタル信号が入力されると、インバータ62の出力電圧は入力信号に応じてVRまたは0Vになる。出力VSの電圧は、
V8=(VR/16)・(8S3+4S2+2S1+1S0) …(2)
で与えられる。ただし、インバータ62の出力インピーダンスは抵抗R,2Rに比べて十分小さいと仮定している。
FIG. 58 (a) shows an example of a DA converter. In the figure, 61 and 62 are inverters, and R and 2R are resistors. Here, the power source of the
V 8 = (V R / 16) · (8S 3 + 4S 2 + 2S 1 + 1S 0 ) (2)
Given in. However, it is assumed that the output impedance of the
図58(b)にDAコンバータの他の実施例を示す。図中、71はデコーダ、72はMOSトランジスタ、Rは抵抗である。この回路は、基準電圧VRを抵抗分割した電圧
Vi=(i/16)・Vr (i=0〜15) …(3)
のうち、1つを選択して出力VSとする。この選択は、入力信号S0〜S3をデコーダ71でデコードした信号T0〜T15によって行われる。この回路の特徴は、負荷のインピーダンス(図57の比較回路5の入力インピーダンス)が十分大きければ(図54の回路は、この条件を満たしている)、出力電圧VSはMOSトランジスタ72のオン抵抗の影響を受けないことである。
FIG. 58B shows another embodiment of the DA converter. In the figure, 71 is a decoder, 72 is a MOS transistor, and R is a resistor. In this circuit, the voltage V i = (i / 16) · V r (i = 0 to 15) (i) is obtained by dividing the reference voltage V R by resistance.
One of them is selected as the output V S. This selection is performed by signals T 0 to T 15 obtained by decoding the input signals S 0 to S 3 by the
なお、図58(a),(b)はいずれも4ビットのDA変換器である。しかし、ビット数は、どの程度正確に内部電圧VLを設定する必要があるかにより増減してもよいことは言うまでもない。 FIGS. 58A and 58B are 4-bit DA converters. However, it goes without saying that the number of bits may be increased or decreased depending on how accurately the internal voltage VL needs to be set.
図59に本発明の更に他の実施例を示す。本実施例の特徴は、内部電圧VLをAD変換して出力することである。そのため、デジタル信号S0〜S3を記憶するためのレジスタ80が設けられている。以下、本実施例の動作を図60のタイミング図に従って説明する。
FIG. 59 shows still another embodiment of the present invention. A feature of this embodiment is that the internal voltage V L is AD-converted and output. Therefore, the
/RAS,/CAS,/WEのタイミングの組合せによりテストエネーブル信号TEを発生することは前実施例と同様である。この時点でレジスタ80の内容は、最上位ビットS3のみが“1”、他は“0”という状態に設定される。このとき、比較用電圧VSはVR/2に等しい。このVSと内部電圧VLとを比較した結果、C=1すなわちVL>VR/2ならば、最上位ビットS3はそのまま“1”に保たれ、C=0すなわちVL<VR/2ならばS3は“0”にリセットされる。
As in the previous embodiment, the test enable signal TE is generated by the combination of the timings of / RAS, / CAS, and / WE. At this time, the contents of the
次にレジスタのS2が“1”にセットされる。このとき、比較用電圧VSはVR/4または3VR/4である。このVSと内部電圧VLとを比較した結果、C=1ならばS2はそのまま“1”に保たれ、C=0ならばS2は“0”にリセットされる。以下同様にして、S1,S0が順次に決定される。 Next, S 2 of the register is set to “1”. At this time, the comparison voltage V S is V R / 4 or 3V R / 4. As a result of comparing V S with the internal voltage V L , if C = 1, S 2 is kept at “1” as it is, and if C = 0, S 2 is reset to “0”. Similarly, S 1 and S 0 are sequentially determined.
以上の動作はクロックに同期して行われる。本実施例では/CASをクロックとして用いている。すなわち、まず/CASを/RASよりも先に低レベルにしてVL検査モードを指定する。これによりTEが高レベルになる。次に、/RASは低レベルに保ったまま、/CASを上げ下げすることにより、上記のAD変換が行われる。この間、出力端子Doutには各回の比較結果が順に現れるので、
Doutを観測することにより、AD変換の結果を知ることができる。
The above operation is performed in synchronization with the clock. In this embodiment, / CAS is used as a clock. That is, first, / CAS is set to a low level before / RAS to designate the VL inspection mode. This raises TE to a high level. Next, the AD conversion is performed by raising / lowering / CAS while keeping / RAS at a low level. During this time, since each time the comparison result is sequentially appears at the output terminal D out,
By observing Dout , the result of AD conversion can be known.
Claims (7)
前記内部電圧発生回路は、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、前記基準電圧に基づいて前記内部電圧を出力する駆動回路と、前記駆動回路の周波数特性を変更する位相補償回路とを有し、
前記位相補償回路は、前記半導体基板に形成された第2導電形のウェル領域と、前記ウェル領域に形成された前記第2導電形の第1領域と、前記ウェル領域の上に絶縁膜を介して形成された多結晶シリコンまたは金属から成る層を有するキャパシタを含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which an internal voltage generating circuit that converts an external voltage supplied from an external power supply voltage bonding pad into an internal voltage and an internal circuit that operates using the internal voltage as a power source are formed on a semiconductor substrate of the first conductivity type. Because
The internal voltage generation circuit includes a reference voltage generation circuit that generates a reference voltage, a drive circuit that outputs the internal voltage based on the reference voltage, and a phase compensation circuit that changes a frequency characteristic of the drive circuit. ,
The phase compensation circuit includes a second conductivity type well region formed in the semiconductor substrate, the second conductivity type first region formed in the well region, and an insulating film on the well region. A semiconductor device comprising a capacitor having a layer made of polycrystalline silicon or metal formed in the above manner.
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of the first region is higher than an impurity concentration of the well region.
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