JP2010119206A - チャージポンプ回路及びこれを備える半導体記憶装置 - Google Patents

チャージポンプ回路及びこれを備える半導体記憶装置 Download PDF

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Abstract

【課題】並列接続方式と直列接続方式を組み合わせた新たなチャージポンプ回路を提供する。
【解決手段】並列接続された第1及び第2の容量101,102を有し、第1の容量101をポンピングすることによって第2の容量102に第1のチャージポンプ電圧V1を発生させる第1のチャージポンプ部と、第2の容量102と直列に接続された第3の容量103を有し、第2の容量102に蓄積された第1のチャージポンプ電圧V1を第3の容量103を介してさらにポンピングすることによって、第2の容量102に第2のチャージポンプ電圧V2を発生させる第2のチャージポンプ部とを備える。このように、並列接続された後段の容量を直列接続方式によってポンピングしていることから、後段の容量の容量電極間に印加される電圧が緩和される。
【選択図】図1

Description

本発明はチャージポンプ回路及びこれを備える半導体記憶装置に関し、特に、複数の容量を備える多段式のチャージポンプ回路及びこれを備える半導体記憶装置に関する。
半導体装置の中には、外部より供給される電源電位よりも高い昇圧電位や、接地電位よりも低い負電位を必要とするものがある。このような半導体装置においては、昇圧電位や負電位を生成するためのチャージポンプ回路が内部に設けられる(特許文献1,2参照)。
チャージポンプ回路は、容量を用いたポンピングによって昇圧を行う電源回路であり、複数の容量を用いることによって大きな昇圧を行うことが可能となる。複数の容量を用いた多段式のチャージポンプ回路としては、これら容量を並列接続するタイプ(並列接続方式)と直列接続するタイプ(直列接続方式)に大別される。
並列接続方式は、寄生容量による電荷損失が少ないため昇圧効率が高いという利点を有しているが、後段の容量ほど一対の容量電極間に印加される電圧が高くなるため、後段の容量に含まれる容量絶縁膜の耐圧が不足するという問題がある。この問題を解決するためには、後段の容量に含まれる容量絶縁膜の膜厚を大きくすることによって高耐圧化を図る必要があるが、容量絶縁膜の膜厚を大きくすると容量値が減少するため、所望の容量値を得るためには容量電極の面積を増大する必要が生じ、占有面積が増大するという問題があった。
一方、直列接続方式は、いずれの容量も一対の容量電極間に印加される電圧が電源電圧と同レベルであるため、容量絶縁膜の耐圧が不足するという問題は生じない。しかしながら、寄生容量による電荷損失が大きいことから、昇圧効率が低いという問題があった。
特開2000−3598号公報 特開2003−33007号公報
このように、並列接続方式と直列接続方式には一長一短があった。このため、改良されたチャージポンプ回路の開発が望まれている。
本発明の一側面によるチャージポンプ回路は、並列接続された第1及び第2の容量を有し、前記第1の容量をポンピングすることによって前記第2の容量に第1のチャージポンプ電圧を発生させる第1のチャージポンプ部と、前記第2の容量と直列に接続された第3の容量を有し、前記第2の容量に蓄積された前記第1のチャージポンプ電圧を前記第3の容量を介してさらにポンピングすることによって、前記第2の容量に第2のチャージポンプ電圧を発生させる第2のチャージポンプ部とを備えることを特徴とする。
本発明の他の側面によるチャージポンプ回路は、一方の容量電極がプリチャージされ、他方の容量電極がポンピングされる第1の容量と、一方の容量電極が第1のスイッチを介して前記第1の容量の前記一方の容量電極に接続された第2の容量と、一方の容量電極が第2のスイッチを介して前記第2の容量の他方の容量電極に接続され、他方の容量電極がポンピングされる第3の容量とを備えることを特徴とする。
本発明のさらに他の側面によるチャージポンプ回路は、並列接続されたM個(Mは2以上の整数)の容量を有する並列接続方式によるチャージポンプ部と、直列接続されたN個(Nは2以上の整数)の容量を有する直列接続方式によるチャージポンプ部とを備え、前記並列接続方式によるチャージポンプ部の最終段を構成する容量は、前記直列接続方式によるチャージポンプ部によって共有されていることを特徴とする。
本発明の一側面による半導体記憶装置は、ワード線と、ビット線と、前記ワード線の活性化に応答して前記ビット線との電流パスが形成されるメモリセルと、前記ビット線に書き込み電流を供給する書き込み回路と、前記書き込み回路に動作電圧を供給する上記のチャージポンプ回路とを備え、前記メモリセルは、前記ビット線から供給される書き込み電流によって相状態が変化する相変化素子を有していることを特徴とする。
本発明によれば、並列接続された後段の容量を直列接続方式によってポンピングしていることから、後段の容量の容量電極間に印加される電圧が緩和される。このため、並列接続方式による高効率な昇圧動作を実現しつつ、後段の容量に含まれる容量絶縁膜の耐圧を確保することが可能となる。尚、本発明によるチャージポンプ回路は、電源電位よりも高い昇圧電位を生成するための回路に限定されず、接地電位よりも低い負電位を生成する回路にも適用可能である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい第1の実施形態によるチャージポンプ回路100の回路図である。
図1に示すように、本実施形態によるチャージポンプ回路100は、並列接続された第1及び第2の容量101,102と、第2の容量102に直列接続された第3の容量103とを有している。第1及び第2の容量101,102からなる部分は、並列接続方式によるチャージポンプ部であり、第2及び第3の容量102,103からなる部分は、直列接続方式によるチャージポンプ部である。つまり、並列接続方式によるチャージポンプ部の最終段を構成する第2の容量102が直列接続方式によるチャージポンプ部によって共有された構成を有している。
かかる構成により、第1の容量101をポンピングすることによって第2の容量102にチャージポンプ電圧V1を発生させ、さらに、第2の容量102に蓄積されたチャージポンプ電圧V1を第3の容量103を介してさらにポンピングすることによって、第2の容量102にチャージポンプ電圧V2を発生させることができる。ここで、チャージポンプ電圧V1とは、後述する昇圧電位V1と接地電位VSSとの差電位を指す(V1=V1−VSS)。また、チャージポンプ電圧V2とは、後述する昇圧電位V2と接地電位VSSとの差電位を指す(V2=V2−VSS)。
より具体的に説明すると、第1の容量101の一方の容量電極101aには、電源電位VDDを供給するプリチャージするプリチャージ回路111が接続され、第1の容量101の他方の容量電極101bにはドライバ121が接続されている。これにより、容量電極101aを電源電位VDDにプリチャージした後、ドライバ121の出力を接地電位VSSから電源電位VDDに変化させれば、容量電極101aはポンピングによって昇圧電位V1に昇圧される。昇圧電位V1のレベルは理想的にはVDD×2であるが、寄生容量Cpの存在により損失が生じるため、VDD×2よりも低くなる。
図1に示すように、第1の容量101の一方の容量電極101aと、第2の容量102の一方の容量電極102aとの間には、スイッチ131が設けられている。このため、第2の容量102の他方の容量電極102bを接地電位VSSとした状態で、スイッチ131をオンさせると、第1の容量101にチャージされた電荷が第2の容量102に移送される。出力OUTの出力電圧依存により電荷の移送前の第2の容量102のチャージ量が少なければ、電荷の移送後、第2の容量102の一対の容量電極102a,102bの間にはチャージポンプ電圧V1よりも低い電圧V1aが発生することになる。
第2の容量102の他方の容量電極102bと、第3の容量103の一方の容量電極103aとの間には、スイッチ132が設けられている。また、第3の容量103の他方の容量電極103bにはドライバ122が接続されている。さらに、第2の容量102の他方の容量電極102bには、接地電位VSSにプリチャージするプリチャージ回路112が接続され、第3の容量103の一方の容量電極103aには、電源電位VDDにプリチャージするプリチャージ回路113が接続されている。
かかる構成により、スイッチ132をオフさせた状態で、容量電極102b,103aをそれぞれ接地電位VSS、電源電位VDDにプリチャージした後、スイッチ132をオンし、さらにドライバ122の出力を接地電位VSSから電源電位VDDに変化させれば、容量電極103bはポンピングによって昇圧電位V3に昇圧される。昇圧電位V3のレベルは理想的にはVDD×2である。これにより、第2の容量102は理想的にはV3だけポンピングされ、両用電極102aがV2に昇圧される。
そして、第2の容量102と出力端Outとの間に接続されたスイッチ133をオンさせれば、第2の容量102から出力OUTへ電流が流れ、第2の容量102の一対の容量電極102a,102bの間には昇圧電圧V2よりも低い電圧V2aがかかった状態となる。
ここで、第1及び第3の容量101,103の両端間の電圧はVDDであり、第2の容量102の両端間の電圧はV1a(VDD<V1a<2VDD)であることから、第2の容量102に含まれる容量絶縁膜の耐圧を確保することが可能となる。つまり、これら3つの容量101〜103を全て並列接続した場合には、最終段の容量の両端間の電圧は、3VDD以内となり、最終段の容量に含まれる容量絶縁膜の耐圧が不足してしまう。他方、これら3つの容量101〜103を全て直列接続した場合には、各容量の両端間の電圧はいずれもVDD程度に抑えられるが、寄生容量による電荷損失が大きいことから、最終的に得られる昇圧電位が低下してしまう。
これに対し、本実施形態によるチャージポンプ回路100においては、並列接続方式によるチャージポンプ部と、直列接続方式によるチャージポンプ部とを組み合わせていることから、3段の容量を用いて高い昇圧効率を確保しつつ、最終段となる第2の容量の両端間の電圧を2VDD以内に抑えることにより、最終段となる第2の容量102の耐圧を確保することが可能となる。
図2は本実施形態によるチャージポンプ回路100のより詳細な回路図であり、図3はその動作波形図である。
図2に示すように、プリチャージ回路111はクロック信号CLK1,CLK1Bによって制御され、プリチャージ回路112はクロック信号CLK2Bによって制御され、プリチャージ回路113はクロック信号CLK11によって制御される。また、ドライバ121はクロック信号CLK1によって制御され、ドライバ122はクロック信号CLK3によって制御される。さらに、スイッチ131はクロック信号CLK2Bによって制御され、スイッチ132はクロック信号CLK31によって制御され、スイッチ133はクロック信号CLK4によって制御される。そして、クロック信号の波形を図3に示す波形とすれば、出力端Outには、クロック信号CLK4がハイレベルとなる期間に同期して、チャージポンプ電圧V2が出力されることになる。
つまり、クロック信号CLK1をハイレベルとすることによって第1の容量101をポンピングした後、クロック信号CLK2Bをローレベルとすることによってスイッチ131をオンさせることにより、第2の容量102にチャージポンプ電圧V1aが発生する。さらに、クロック信号CLK31をローレベルとすることによってスイッチ132をオンさせた後、クロック信号CLK3をハイレベルとすることによって第3の容量103をポンピングすることにより、第2の容量102に第2のチャージポンプ電圧V2を発生する。次にCLK4をハイレベルとしスイッチ133をオンさせることにより、出力OUTに昇圧電圧を供給することが可能となる。
図4は、図1に示したチャージポンプ回路100の変形例であり、接地電位VSSよりも低い負電位を生成させるための回路図である。図4に示す回路は、プリチャージ電位が異なる他は、図1に示したチャージポンプ回路100とほぼ同じ回路構成を有している。このように、本実施形態によるチャージポンプ回路は、電源電位VDDよりも高い昇圧電位を生成するだけでなく、接地電位VSSよりも低い負電位を生成することも可能である。
図5は、本発明の好ましい第2の実施形態によるチャージポンプ回路200の回路図である。
図5に示すように、本実施形態によるチャージポンプ回路200は、並列接続方式によるM段(Mは2以上の整数)のチャージポンプ部と、直列接続方式によるN段(Nは2以上の整数)のチャージポンプ部を有している。つまり、M段のチャージポンプ部は、並列接続されたM個の容量201〜20Mを有しており、N段のチャージポンプ部は、直列接続されたN個の容量211〜20Mを有している。並列接続方式によるチャージポンプ部の最終段を構成する容量20Mは、直列接続方式によるチャージポンプ部によって共有されている。各段の回路構成は図1に示したチャージポンプ部の各段と同じである。
本実施形態によるチャージポンプ回路200によれば、より高い昇圧電位(理想的にはVDD×(M+N))を得ることが可能となる。しかも、最終段の容量20Mの両電極間にかかる電圧は、VDD×Mに抑制される。本実施形態においてMとNの大小関係については特に限定されない。
図6は、本発明の好ましい第3の実施形態によるチャージポンプ回路300の回路図である。
図6に示すように、本実施形態によるチャージポンプ回路300は、並列接続方式によるM段のチャージポンプ部をN個有し、それぞれの最終段が直列接続方式によるN段のチャージポンプ部を構成している。つまり、M段のチャージポンプ部は、並列接続されたM個の容量301i〜30Mi(i=1〜N)をそれぞれ有しており、各最終段を構成する容量30M1〜30MNが直列接続されている。各段の回路構成は図1に示したチャージポンプ回路の各段と同じである。
本実施形態によるチャージポンプ回路300によれば、よりいっそう高い昇圧電位(理想的にはVDD×(M×N+1)、但し、寄生容量Cpや出力電圧依存によってそれよりも小さい電位となる)を得ることが可能となる。しかも、並列接続方式によるM段のチャージポンプ部によって、理想的にはVDD×(M+1)のチャージポンプ電圧をN個生成し、これらを直列接続方式によってポンピングしていることから、最終段の容量30MNの両電極間にかかる電圧は、第2の実施形態によるチャージポンプ回路200と同様、VDD×Mに抑制される。尚、本実施形態においては、並列接続方式によるN個のチャージポンプ部の段数がいずれもM段であるが、これらの段数がいずれもM段である必要はない。
図7は、本発明の好ましい第4の実施形態によるチャージポンプ回路400の回路図である。
図7に示すように、本実施形態によるチャージポンプ回路400は、直列接続方式によるN段のチャージポンプ部をM個有し、それぞれの最終段が並列接続方式によるM段のチャージポンプ部を構成している。つまり、N段のチャージポンプ部は、直列接続されたN個の容量40j1〜40jN(j=1〜M)をそれぞれ有しており、各最終段を構成する容量401N〜40MNが並列接続されている。各段の回路構成は図1に示したチャージポンプ部の各段と同じである。
本実施形態によるチャージポンプ回路400によれば、第3の実施形態によるチャージポンプ回路300と同様の高い昇圧電位(理想的にはVDD×(M×N+1)、但し、寄生容量Cpや出力電圧依存によってそれよりも小さい電位となる)を得ることが可能となる。また、最終段の容量40MNの両電極間にかかる電圧は、VDD×{(M−1)×N−1}に抑制される。尚、本実施形態においては、直列接続方式によるM個のチャージポンプ部の段数がいずれもN段であるが、これらの段数がいずれもN段である必要はない。
図8は、本発明の好ましい第5の実施形態による半導体記憶装置500の構成を示すブロック図である。
図8に示すように、本実施形態による半導体記憶装置は、メモリセルアレイ10と、書き込み回路20と、チャージポンプ回路100と、制御回路30とを備えている。制御回路30は、チャージポンプ回路100の動作に必要な各種クロック信号(図2及び図3参照)を供給する回路である。また、チャージポンプ回路100の回路構成は、既に説明したとおりである。
メモリセルアレイ10は、複数のワード線WLと、複数のビット線BLと、ワード線WLとビット線BLの交点に配置された複数のメモリセルMCとを有している。メモリセルMCは、相状態が変化する相変化素子PCと選択トランジスタSTの直列回路が対応するビット線BLに接続された構成を有しており、選択トランジスタSTのゲート電極は対応するワード線WLに接続されている。これにより、所定のワード線WLが活性化すると、対応するビット線BLと相変化素子PCとの間に電流パスが形成され、ビット線BLを介した書き込み電流及び読み出し電流の供給が可能となる。
書き込み電流の供給は、書き込み回路20によって行われる。書き込み回路20は、書き込み対象となるメモリセルMCを高抵抗状態(リセット状態)とする場合には、ビット線BLにリセット電流を供給し、これにより、相変化素子PCに含まれる相変化材料を融点以上に加熱し、その後、急冷することによって相変化素子PCをアモルファス状態とする。一方、書き込み対象となるメモリセルMCを低抵抗状態(セット状態)とする場合、書き込み回路20はビット線BLにセット電流を供給し、これにより、相変化素子PCに含まれる相変化材料の結晶化温度以上、融点未満の温度に加熱し、その後、徐冷することによって相変化素子PCを結晶状態とする。
リセット電流及びセット電流によって相変化素子PCの相状態を変化させるためには、ビット線BLを比較的高い電圧に昇圧する必要がある。このため、書き込み回路20は、チャージポンプ回路100から昇圧電位VPPを受け、これを用いてリセット電流及びセット電流を生成する。このように、相変化素子PCを用いた半導体記憶装置500に上述したチャージポンプ回路100を用いれば、少ない占有面積で高効率に昇圧電源VPPを生成することが可能となる。もちろん、より高い昇圧電位VPPが必要であれば、チャージポンプ回路100の代わりに、チャージポンプ回路200,300又は400を用いればよい。
各実施形態における容量はMOSトランジスタで形成することが出来る。これを図9に表す。例えば、図1における第2の容量102はNMOSトランジスタ140で形成することが出来、第2の容量102の電極102aはゲート電極に、電極102bはソース及びドレイン及び基板に其々接続する。その他の容量についても同様である。また、第2の容量102をPMOSトランジスタ141で形成する場合は、電極102をソース及びドレイン及び基板に、電極102bをゲート電極に其々接続する。また、2つ以上の容量に対して、NMOSトランジスタ140及びPMOSトランジスタ141を組合せて構成してもよい。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
本発明の好ましい第1の実施形態によるチャージポンプ回路100の回路図である。 チャージポンプ回路100のより詳細な回路図である。 チャージポンプ回路100の動作波形図である。 図1に示したチャージポンプ回路100の変形例である。 本発明の好ましい第2の実施形態によるチャージポンプ回路200の回路図である。 本発明の好ましい第3の実施形態によるチャージポンプ回路300の回路図である。 本発明の好ましい第4の実施形態によるチャージポンプ回路400の回路図である。 本発明の好ましい第5の実施形態による半導体記憶装置500の構成を示すブロック図である。 本発明の容量をMOSトランジスタで表した回路図である。
符号の説明
10 メモリセルアレイ
20 書き込み回路
30 制御回路
100,200,300,400 チャージポンプ回路
101〜103 容量
101a,102a,103a 一方の容量電極
101b,102b,103b 他方の容量電極
111〜113 プリチャージ回路
121,122 ドライバ
131〜133 スイッチ
500 半導体記憶装置
BL ビット線
MC メモリセル
PC 相変化素子
ST 選択トランジスタ
WL ワード線

Claims (11)

  1. 並列接続された第1及び第2の容量を有し、前記第1の容量をポンピングすることによって前記第2の容量に第1のチャージポンプ電圧を発生させる第1のチャージポンプ部と、
    前記第2の容量と直列に接続された第3の容量を有し、前記第2の容量に蓄積された前記第1のチャージポンプ電圧を前記第3の容量を介してさらにポンピングすることによって、前記第2の容量に第2のチャージポンプ電圧を発生させる第2のチャージポンプ部と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  2. 前記第1のチャージポンプ部は、前記第1及び第2の容量を含む3以上の容量が並列接続されており、これら並列接続された3以上の容量を順次ポンピングすることによって前記第2容量に前記第1のチャージポンプ電圧を発生させることを特徴とする請求項1に記載のチャージポンプ回路。
  3. 前記第2のチャージポンプ部は、前記第3の容量を含む複数の容量が直列接続されており、これら直列接続された複数の容量を介して前記第2容量をポンピングすることによって、前記第2の容量に第2のチャージポンプ電圧を発生させることを特徴とする請求項1又は2に記載のチャージポンプ回路。
  4. 前記第3の容量と並列に接続された第4の容量を有し、前記第4の容量をポンピングすることによって前記第3の容量に第3のチャージポンプ電圧を発生させる第3のチャージポンプ部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路。
  5. 前記第1の容量と直列に接続された第5の容量を有し、前記第1の容量を前記第5の容量を介してポンピングすることによって、前記第1の容量に第4のチャージポンプ電圧を発生させる第4のチャージポンプ部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路。
  6. 一方の容量電極がプリチャージされ、他方の容量電極がポンピングされる第1の容量と、
    一方の容量電極が第1のスイッチを介して前記第1の容量の前記一方の容量電極に接続された第2の容量と、
    一方の容量電極が第2のスイッチを介して前記第2の容量の他方の容量電極に接続され、他方の容量電極がポンピングされる第3の容量と、
    を備えることを特徴とするチャージポンプ回路。
  7. 前記第2のスイッチをオフさせた状態で、前記第2の容量の他方の容量電極と前記第3の容量の一方の容量電極に異なる電位をプリチャージするプリチャージ回路をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載のチャージポンプ回路。
  8. 前記第1の容量の前記他方の容量電極をポンピングした後、前記第1のスイッチをオンさせることにより、前記第2の容量に第1のチャージポンプ電圧を発生させ、
    前記第2のスイッチをオンさせた後、前記第3の容量の前記他方の容量電極をポンピングすることにより、前記第2の容量に第2のチャージポンプ電圧を発生させることを特徴とする請求項6又は7に記載のチャージポンプ回路。
  9. 並列接続されたM個(Mは2以上の整数)の容量を有する並列接続方式によるチャージポンプ部と、直列接続されたN個(Nは2以上の整数)の容量を有する直列接続方式によるチャージポンプ部とを備え、前記並列接続方式によるチャージポンプ部の最終段を構成する容量は、前記直列接続方式によるチャージポンプ部によって共有されていることを特徴とするチャージポンプ回路。
  10. 第1、第2および第3のキャパシタを有し、これらキャパシタは、前記第1のキャパシタの充電電荷の少なくとも一部を前記第2のキャパシタに充電して前記第2のキャパシタの充電電荷を第1状態から第2状態にし、前記第2のキャパシタの前記第2状態の充電電荷に基づく電圧と前記第3のキャパシタの充電電荷に基づく電圧を加算する、ように制御されるチャージポンプ回路
  11. ワード線と、ビット線と、前記ワード線の活性化に応答して前記ビット線との電流パスが形成されるメモリセルと、前記ビット線に書き込み電流を供給する書き込み回路と、前記書き込み回路に動作電圧を供給する請求項1乃至10のいずれか一項に記載のチャージポンプ回路とを備え、
    前記メモリセルは、前記ビット線から供給される書き込み電流によって相状態が変化する相変化素子を有していることを特徴とする半導体記憶装置。
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