JP2007043826A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
昇圧電圧の変異の抑制、製造ばらつきの影響の抑制、電流ピークの増大の回避を実現する昇圧回路の提供。
【解決手段】
昇圧電圧を検知し昇圧動作を制御する判定出力信号φ1を出力する電圧検知回路1と、発振回路2と、複数のチャージポンプ回路3とを備え、発振回路2は、奇数段の制御型インバータ20を備え、電圧検知回路1からの判定出力信号φ1が昇圧動作(発振有)を示すとき、奇数段のインバータは開路をなし複数の制御型インバータ20の出力からの発振出力がそれぞれ取り出され、判定出力信号φ1が昇圧動作停止(発振停止)を示すときには、制御型インバータ20の出力値は反転せずに保持され、発振が停止される。複数のチャージポンプ回路3は、制御型インバータ20からの出力信号φ4〜φ4”をクロック信号として受け動作する。
【選択図】
図1

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に、半導体メモリ等の昇圧電圧の生成に適用して好適な昇圧回路、及び該昇圧回路を備えた半導体装置に関する。
不揮発性メモリをはじめとするメモリ回路において、メモリセルのデータの書き換えや読み取りを行うために高電圧を発生する必要がある。
一般的な昇圧回路で高電圧を発生させる場合、昇圧時の電流量が電源の供給能力を上回ると、電源電圧の降下を招くことになるため、ピーク電流を分散させることが必要となる。
その1つとして、複数のチャージポンプ回路を制御するために、制御クロック信号の位相を、チャージポンプ毎に変化させる手法が、従来より、多用されている。しかしながら、位相差を発生する過程での遅延や、昇圧開始時と終了時に、複数の制御クロック信号の同時変化に対して工夫が必要となる。
特許文献1には、セルデータ増幅時のノイズと昇圧回路動作によるノイズの重複とで発生するピーク電流を分散させセルデータ増幅が安定するようにした昇圧回路として、図5に示すような構成が開示されている。図5を参照すると、この昇圧回路は、昇圧電圧を検知し昇圧動作を制御する判定出力信号φ1を出力する電圧検知回路1と、電圧検知回路1からの判定出力信号φ1の制御を受けて発振し出力信号φ2を出力する発振回路21と、電圧検知回路1と発振回路21のそれぞれの出力信号を受けてチャージポンプ回路を制御する複数の制御回路5と、制御回路5の制御を受けて動作する複数のチャージポンプ回路3を備えている。制御回路5は、発振回路21の出力信号φ2を入力し、その反転信号、及び該出力信号φ2の伝達を制御するトランスファゲートTG2、TG3と、トランスファゲートTG2、TG3の出力接続点の信号φ3をラッチしてチャージポンプ回路に出力し、判定出力信号φ1により活性化が制御される第1のラッチ回路6と、この信号φ3を判定出力信号φ1で導通が制御されるトランスファゲートTG4を介してラッチする第2のラッチ回路7と、信号φ3とその反転信号φ3 ̄(第2のラッチ回路7での反転出力信号)と、電圧検知回路1の判定出力信号φ1とから、発振回路の出力信号φ2の論理の正相と逆相のうち、第2のラッチ回路7によってラッチされた信号の論理と逆相の方を選択して出力するように、トランスファゲートTG2、TG3を制御する回路8を備える。
図8に、電圧検知回路1の構成の一例を示す。図8を参照すると、電圧検知回路1は、昇圧節点VBの電位を抵抗で分割し、リファレンス電圧VREFと、コンパレータCOMPで比較する、構成とされている。VBの電位が、抵抗分割比とリファレンス電圧VREFで決まる設定電位よりも低ければ、コンパレータ出力である判定出力信号φ1はハイレベル(昇圧動作有り)となり、逆に、VBの電位の方が高ければ、判定出力信号φ1はローレベル(昇圧動作無し)となる。
また、図9に、チャージポンプ回路3の構成の一例を示す。図9に示した構成は、相補型回路方式と呼ばれており、図5のφ3(あるいは図1のφ4)の方形波により制御される。コンデンサCl及びC2は逆相で動作する。
図6は、図5に示した構成の動作を説明するタイミング波形図である。図6(a)に示すように、電圧検知回路1にて昇圧電圧が設定電圧に達していると判定されると、判定出力信号φ1(φ1’、φ1”)がハイレベルからローレベルとなり、チャージポンプ回路の制御信号φ3(φ3’、φ3”)は、第1、第2のラッチ回路6、7によって保持され、チャージポンプ回路3は停止し、一方、発振回路21の出力φ2(φ2’、φ2”)は、初期状態へと戻る。
電圧検知回路1にて、昇圧電圧が設定電圧に満たないと判定されると、判定出力信号φ1(φ1’、φ1”)がローレベルからハイレベルとなり、信号φ3(φ3’、φ3”)は、第2のラッチ回路7に保持されたレベルによって強制的に発振回路21の出力信号φ2の正、負論理が切り替えられ、結果として、第1のラッチ回路6に保持されていたレベルの負論理を起点としたクロッキングを開始し、チャージポンプ回路3での動作が再開され、昇圧動作が行われる。
特開平11−25673号公報
図5及び図6を参照して説明した従来の昇圧回路においては、複数のチャージポンプ3が、判定出力信号φ1と、これを遅延素子で遅延させ位相差がついたφ1’、…φ1”によって制御されるため、判定出力信号φ1がハイレベルからローレベルになってから、チャージポンプ回路3の動作が停止するまでに、遅延が発生する。図6(a)のTd1(φ1の遷移からφ1”の遷移までの遅延時間)は、この遅延を表している。
この場合、図7において、破線で表されるように、昇圧電圧の変異が大きくなる、という課題を有している。なお、図7は、図5及び図6を参照して説明した従来の昇圧回路の課題をより判り易く説明するために新たに作成した図であり、昇圧電圧の時間推移を示した図であり、図7の破線は、図6(a)のTd1の遅延による影響を示している。
また、判定出力信号φ1、φ1’、…φ1”の位相差は、遅延素子の遅延時間によって発生しているため、製造ばらつきの影響を受ける、という課題を有している。
さらに、図6(b)に示すように、発振回路21の周期に対して、φ1からφ1”までの遅延時間が大きい場合、タイミングt1、t2、t3、…において、φ3、φ3”のタイミングが重なり、複数のチャージポンプ回路3が同時に作動することになる。このため、電流ピークが増加する、という課題を有している。
本願で開示される発明は、上記課題を解決するため、概略以下の構成とされる。
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る昇圧回路は、発振の有無を制御する制御信号を入力し、前記制御信号が発振有りを示すとき、奇数段のインバータは閉路をなし、複数の前記インバータの出力端からの発振出力がそれぞれ取り出され、前記制御信号が発振無しを示すとき、前記インバータの反転動作を制御して発振を停止させる発振回路と、前記発振回路からの複数の発振出力をそれぞれクロックとして受け動作する複数のチャージポンプ回路と、を備えている。
本発明に係る昇圧回路において、前記発振回路は、前記制御信号が発振無しを示すときには、前記インバータの出力値は反転せずに保持され、発振が停止される。
本発明に係る昇圧回路において、前記発振回路は、前記制御信号が発振無しを示す間、前記インバータの出力は、前記制御信号が発振有りから発振無しに遷移した時点における前記インバータの出力の値に保持され、発振が停止される、構成としてもよい。
本発明に係る昇圧回路において、前記発振回路は、前記制御信号が発振無しを示す間、前記インバータの入力と出力の関係は、前記制御信号が発振有りから発振無しに遷移した時点における前記インバータの入力と出力の関係のまま維持され、発振が停止される、構成としてもよい。
本発明によれば、発振回路の一時停止と、再開の制御を可能としており、複数のチャージポンプ回路の同時停止と、スムーズな動作開始を行うことができる。この結果、昇圧精度を向上させることができる。
また、本発明によれば、複数のチャージポンプ制御信号の位相が重なる可能性を無くし、製造ばらつき等による、電流ピークの増加の発生を抑止している。
上記した本発明についてさらに詳細に説述すべく添付図面を参照して以下に説明する。本発明は、昇圧電圧を検知する電圧検知回路(1)と、発振回路(2)と、複数のチャージポンプ回路(3)とを備え、発振回路(2)は、奇数段の制御型インバータ(20)を備え、電圧検知回路(1)からの制御信号(φ1)が発振有り(昇圧動作実行)を示すとき、奇数段のインバータは閉路をなし、複数の制御型インバータ(20)の出力から、発振出力(φ4、φ4’、…φ4”)がそれぞれ取り出され、クロック信号として複数のチャージポンプ回路(3)に供給される。一方、制御信号(φ1)が発振停止(昇圧動作停止)を示すとき、制御型インバータ(20)の出力値は反転せずに保持され、このため、発振が停止される。このとき、複数のチャージポンプ回路(3)には、発振回路(2)からの複数の出力信号(φ4、φ4’、…φ4”)は、複数の制御型インバータ(20)の出力保持値に保たれ発振せず、複数のチャージポンプ回路(3)は動作を停止する。本発明において、発振回路の制御型インバータ(20)の構成には、いくつかのバリエーションがある。以下実施例に即して説明する。
図1は、本発明の一実施例の昇圧回路の構成を示す図である。図1を参照すると、本実施例の昇圧回路は、昇圧電圧VPPを検知し昇圧動作を制御する判定出力信号φ1を出力する電圧検知回路1と、電圧検知回路1からの判定出力信号φ1を受け、判定出力信号φ1の値に基づく、発振動作・発振停止の制御が行われる発振回路2と、発振回路2から出力される互いに位相の異なる出力信号φ4、φ4’、…φ4”をそれぞれ受けて動作する複数のチャージポンプ回路3と、を備える。なお、図1の電圧検知回路1、及びチャージポンプ回路3は、図8及び図9に示した回路構成と同様とされるため、その説明は省略する。
発振回路2は、判定出力信号φ1が発振動作を示すとき、制御型インバータ20を奇数段縦続形態に接続し、最終段の出力を初段に帰還入力した閉回路よりなるリングオシレータとして構成される。より詳細には、図1及び図2を参照すると、制御型インバータ20は、判定出力信号φ1を一の入力端に入力する論理和(OR)回路201と、制御型インバータ20への入力信号INと、OR回路201の出力信号とを入力とする排他的論理和(EXOR)回路202と、入力信号INと、排他的論理和(EXOR)回路202の出力信号OUTとを入力とする排他的論理和(EXOR)回路203と、を備え、OR回路201の他の入力端には、EXOR回路203の出力信号が入力される。制御型インバータ20の動作について説明する。
判定出力信号φ1が1(例えば正論理でハイレベル)の場合、EXOR回路203の出力の値によらずに、OR回路201の出力は1となり、EXOR回路202はインバータとして機能し入力信号INの反転結果を出力OUTに出力し、反転回路として機能する。
判定出力信号φ1が0(例えば正論理でローレベル)の場合、OR回路201の出力は、EXOR回路203の出力となる。この場合、IN=1、OUT=0のとき(OUT=/IN;ただし、/は反転を表す)、EXOR回路203の出力は1となり、OR回路201は1を出力し、EXOR回路202の出力は0となり、OUTはINの反転信号となり、OUT=/INが維持される。
IN=0、OUT=1のとき(OUT=/IN)、EXOR回路203の出力OUTは1となり、OR回路201は1を出力し、EXOR回路202の出力OUTは1となり、OUTはINの反転信号となり、OUT=/INが維持される。
IN=1、OUT=1のとき(OUT=IN)、EXOR回路203の出力は0となり、OR回路201は0を出力し、EXOR回路202の出力は1となり、OUT=INが維持される。
IN=0、OUT=0のとき(OUT=IN)、EXOR回路203の出力は0となり、OR回路201は0を出力し、EXOR回路202の出力は0となり、OUT=INが維持される。
このように、判定出力信号φ1がハイレベルである場合、OUTはINの反転信号(OUT=/IN)となり、インバータとして動作する(図2(b)参照)。
一方、判定出力信号φ1がローレベルの場合、判定出力信号φ1のハイレベルからローレベルへの遷移時点でOUTの反転が完了していれば、OUT=/INが維持される。また、判定出力信号φ1がローレベルの場合、判定出力信号φ1のハイレベルからローレベルへの遷移時点で、OUTの反転が完了していなければ(EXOR回路202の伝搬遅延時間等に依存)、OUT=INが維持される。したがって、インバータの動作状況によらず出力OUTが保持される。すなわち、判定出力信号φ1がローレベルの間、制御型インバータ20の出力OUTの値は、判定出力信号φ1のハイレベルからローレベルへの遷移時点の値に固定保持される。
次に、図1の回路の制御動作について説明する。電圧検知回路1にて昇圧電圧が設定電圧に達していないと判定された場合、判定出力信号φ1がハイレベルとなり、発振回路2は、制御型インバータ20の閉回路となるため、発振回路2からの出力信号φ4、φ4’、…φ4”(リングオシレータの各段からの信号)は、それぞれの制御型インバータ20の反転時間(入力信号INが入力されてからその反転信号OUTが出力されるまでの伝搬遅延時間)によって、位相差が付いた発振信号となる。φ4とφ4’の位相差は、リングオシレータを構成する制御型インバータ20のEXOR回路202の伝搬遅延時間で規定される。
発振回路2からの出力信号φ4、φ4’、…φ4”をそれぞれのクロックとして受けて複数のチャージポンプ回路3は昇圧動作を行う。
一方、電圧検知回路1にて、昇圧電圧が設定電圧に達していると判定された場合には、判定出力信号φ1はハイレベルからローレベルとなり、このため、発振回路2内のすべての制御型インバータ20の出力は保持される。より詳細には、前述したように、判定出力信号φ1がローレベルの間、制御型インバータ20の出力は、判定出力信号φ1がハイレベルからローレベルへ遷移した時点での、EXOR回路202の出力値に保持される。このため、判定出力信号φ1がローレベルのときは、発振回路2からの出力信号φ4、φ4’、…φ4”は、それぞれ、制御型インバータ20の出力の保持値(ハイレベル又はローレベル)に維持され続け、発振は停止し、複数のチャージポンプ回路3は、いずれもクロックで駆動されず、昇圧動作を停止する。
図3は、本実施例の動作を説明するためのタイミング図である。図3に示すように、判定出力信号φ1がハイレベルからローレベルになると、発振回路2の複数の制御型インバータ20の出力信号φ4、φ4’、…φ4”は、その値がすべて保持され、出力信号φ4、φ4’、…φ4”によって動作が制御される複数のチャージポンプ回路3は、昇圧動作を停止する。
再び、判定出力信号φ1がローレベルからハイレベルになると、発振回路2の制御型インバータ20がインバータとして動作する。このとき、例えば入出力レベルが等しい状態(OUT=IN)で保持されていた、複数の制御型インバータ20からの出力信号φ4、φ4’、…φ4”の発振が再開し、出力信号φ4、φ4’、…φ4”をクロックとして受ける複数のチャージポンプ回路3はそれぞれ昇圧動作を行う。
上記した制御動作により、本実施例においては、余分な昇圧が行われることはなくなる。
そして、本実施例においては、発振回路2の出力φ4、φ4’、…φ4”間の位相差は、発振回路2の発振周期を分割したものであるため(EXOR回路202の伝搬遅延時間に相当)、複数の発振回路2のφ4、φ4’、…φ4”のタイミングが重なることはない。したがって、本実施例においては、複数のチャージポンプ回路3が同時動作することが確実に回避される。この結果、本実施例によれば、ピーク電流の増加の可能性を抑制する。
本発明の別の実施例について説明する。図1の発振回路2において、制御型インバータ20は、図4に示すような構成としてもよい。図4を参照すると、この制御型インバータ20は、電圧検知回路1からの判定出力信号φ1をラッチ制御信号として入力するラッチ回路(トランスファゲートとフリップフロップよりなる)を、インバータ211の出力に配設したものである。判定出力信号φ1がハイレベルのとき、ラッチ回路は、インバータ211の出力をそのまま出力し(ただし、出力はフリップフロップに保持される)、判定出力信号φ1がローレベルのとき、ラッチ回路では、トランスファゲートがオフとなるため、入力信号INの値にかかわらず、フリップフロップに保持されている値を出力する。より詳細には、入力信号INを反転するインバータ211と、入力信号INと出力信号OUTの間に接続され、NMOSトランジスタ213とPMOSトランジスタ214からなるトランスファゲートと、入力と出力が相互に接続され出力信号OUTをラッチするインバータ215、216を備え、NMOSトランジスタ213は、電圧検知回路1の判定出力信号φ1をゲートに受け、PMOSトランジスタ214は、判定出力信号φ1をインバータ212で反転した信号をゲートに受ける。トランスファゲート(213、214)は判定出力信号φ1がハイレベル、ローレベルのとき、それぞれオン、オフする。
判定出力信号φ1がハイレベルである場合、トランスファゲート(213、214)は導通し、このときの出力は、フリップフロップ回路(インバータ215、216)に保持される。一方、判定出力信号φ1がローレベルの場合、トランスファゲート(213、214)は非導通となり、フリップフロップ回路(215、216)に保持されていたレベルが出力される。このときインバータ216は、判定出力信号φ1がローレベルになる直前の入力信号INをインバータ211で反転し、トランスファゲート(213、214)を伝達した信号レベルをOUTに出力する(OUT=/IN)。
図4の制御型インバータ20を、図1の発振回路2に用いた場合にも、図3を参照して説明した前記実施例と同様に動作する。すなわち、電圧検知回路1にて昇圧電圧が設定電圧に達していないと判定された場合、判定出力信号φ1がハイレベルになり、発振回路2は奇数段の制御型インバータ20の閉回路となるため、発振回路2の出力信号φ4、φ4’、…φ4”は、制御型インバータ20の反転時間によって位相差が付いた発振信号となる。発振回路2の出力信号φ4、φ4’、…φ4”を受け複数のチャージポンプ回路3がそれぞれ動作し昇圧を行う。電圧検知回路1で昇圧電圧が設定電圧に達していると判定された場合、判定出力信号φ1はローレベルになり、発振回路2の制御型インバータ20(図4参照)からは、制御型インバータ20内のラッチ回路に保持されているレベルが出力される。したがって、発振回路2の出力信号φ4、φ4’、…φ4”の発振は停止し複数のチャージポンプ回路3による昇圧も停止する。判定出力信号φ1がローレベルからハイレベルになると、発振回路2の制御型インバータがインバータとして動作するので、入出力レベルが等しい状態で保持されていた制御型インバータ20から出力信号φ4、φ4’、…φ4”の発振が再開し、チャージポンプ回路3の昇圧動作が再開される。
上記した本実施例の昇圧回路を不揮発性メモリ等のLSIに用いた場合、発振回路の制御型インバータの動作制御によって、発振回路の一時停止が可能となる。また、ピーク電流の分散を目的とした位相分割で発生する遅延の影響を回避可能とした昇圧制御が得られる。すなわち、本実施例によれば、位相分割の際の位相差は発振回路の発振周期を分割したものであるため、複数の発振回路出力のクロックタイミングが重なることがなくなり、ピーク電流の分散に寄与する。
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
本発明の一実施例の構成を示す図である。 (a)は制御型インバータの回路構成を示す図であり、(b)は動作を示す図である。 本発明の一実施例の昇圧回路の動作を示すタイミングチャートである。 制御型インバータの別の構成例を示す図である。 特許文献1の昇圧回路の構成を示す図である。 (a)、(b)は従来の昇圧回路の動作を説明する図である。 昇圧電圧の時間推移を示す図である。 電圧検知回路の構成の一例を示す図である。 チャージポンプ回路の構成の一例を示す図である。
符号の説明
1 電圧検知回路
2 発振回路
3 チャージポンプ回路
5 制御回路
6 ラッチ回路
7 ラッチ回路
8 F/F回路
20 制御型インバータ
21 発振回路
201 OR回路
202、203 EXOR回路
211、212、215、216 インバータ
213 NMOSトランジスタ
214 PMOSトランジスタ

Claims (8)

  1. 発振の有無を制御する制御信号を入力し、前記制御信号が発振有りを示すとき、奇数段のインバータは閉路をなし、複数の前記インバータの出力端からの発振出力がそれぞれ取り出され、前記制御信号が発振無しを示すとき、前記インバータの反転動作を制御して発振を停止させる発振回路と、
    前記発振回路からの複数の発振出力をそれぞれクロックとして受け動作する複数のチャージポンプ回路と、
    を含む、ことを特徴とする昇圧回路。
  2. 前記発振回路において、前記制御信号が発振無しを示すときには、前記インバータの出力値は反転せずに保持され、発振が停止される、ことを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  3. 前記発振回路において、前記制御信号が発振無しを示す間、前記インバータの出力は、前記制御信号が発振有りから発振無しに遷移した時点における前記インバータの出力の値に保持され、発振が停止される、ことを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  4. 前記発振回路において、前記制御信号が発振無しを示す間、前記インバータの入力と出力は、前記制御信号が発振有りから発振無しに遷移した時点における前記インバータの入力と出力の関係に維持され、発振が停止される、ことを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  5. 前記発振回路が、
    前記各インバータとして、
    2つの入力端に入力される信号が不一致、一致のときに、それぞれ第1、第2の論理値を出力する第1、第2の論理回路と、
    前記制御信号と前記第2の論理回路の出力信号とを入力し、前記制御信号と前記第2の論理回路の出力信号がとともに第2の論理値のとき、第2の論理値を出力しそれ以外の場合、第1の論理値を出力する第3の論理回路と、
    を備え、
    前記第1の論理回路は、前記第3の論理回路の出力信号と、前記インバータへの入力信号とを入力し、前記第1の論理回路の出力信号は、前記インバータの出力信号として出力され、
    前記第2の論理回路は、前記インバータへの前記入力信号と前記第1の論理回路の出力信号とを入力とし、
    前記制御信号が第1の論理値をとり発振有りを示すときは、前記第1の論理回路は、前記入力信号を反転して出力する回路として機能し、
    前記制御信号が第2の論理値をとり発振無しを示すときは、前記第1の論理回路の入力と出力は、前記第2及び前記第3の論理回路により、前記制御信号が第1の論理値から第2の論理値へ遷移した時点における、前記第1の論理回路の入力と出力の値に保持される、ことを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  6. 前記発振回路が、各段のインバータに対応して前記インバータの出力を入力とするラッチ回路を備え、
    前記ラッチ回路は、
    前記制御信号が発振を示すときは、対応するインバータの出力をそのまま出力するとともに、前記インバータの出力を記憶保持し、
    前記制御信号が発振停止を示すときは、前記インバータの出力によらず、前記ラッチ回路に記憶保持されている値を出力する、ことを特徴とする請求項1記載の昇圧回路。
  7. 前記昇圧電圧と予め定めた設定電圧とを比較しその大小関係に応じて、昇圧動作を制御する判定出力信号を出力する電圧検知回路を備え、
    前記発振回路は、前記電圧検知回路から出力される前記判定出力信号を、発振の有無を制御する前記制御信号として入力する、ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一に記載の昇圧回路。
  8. 請求項1乃至7のいずれか一に記載の昇圧回路を備えた半導体装置。
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