JP3580693B2 - チャージ・ポンプ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、昇圧電圧を出力するチャージ・ポンプ回路に係るものであり、特に、低電源電圧でも動作可能としたチャージ・ポンプ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電源電圧を昇圧して高電圧を出力するチャージ・ポンプ回路は、例えば、フラッシュメモリ等の不揮発性半導体記憶装置において用いられている。まず、不揮発性半導体記憶装置、具体的には、フラッシュメモリの構造について説明する。
【0003】
フラッシュメモリのセル構造を示す摸式図を図2に示す。このフラッシュメモリセル1は、コントロールゲート2、フローティングゲート3、並びに、ソース4及びドレイン5から構成されており、フローティングゲート3に注入される電子により”1”、”0”のデータ記憶を行なうものである。フラッシュメモリにおいては、このようなフラッシュメモリセルがm×n個マトリクス状に配列されたメモリセルブロックが複数個設けられた構成となっている。各メモリセルブロックの構成は、m本のワード線にコントロールゲート2がそれぞれn個、n本のビット線にドレイン5がそれぞれm個接続され、ソース4は全て共通接続された構成となっている。消去動作については後に説明するが、ブロックごとにソース4が共通という構造上の特徴があるため、セルの消去についてはブロック単位で一括消去が行なわれ、1ビットごとに消去することはできない。
【0004】
次に、フラッシュメモリの読み出し、書き込み、消去、それぞれの機能動作について簡単に説明する。
【0005】
読み出しは、制御信号及びアドレス信号等から成る読み出し信号が外部から与えられると、コントロールゲート2に高電圧(例えば5V)、ドレイン5に低電圧(例えば1V)、ソース4に低電圧(例えば0V)が印加される。この時に、読み出したいメモリセルのソース4−ドレイン5間に流れる電流と、基準となるメモリセルに流れる電流とをセンスアンプによって比較し、データの”1”及び”0”の判定を行なう。そして、メモリセルからの読み出しデータを外部へ出力し、読み出し動作が完了する。
【0006】
書き込み動作は次のように行なう。
【0007】
フラッシュメモリの外部から、制御信号、データ及びアドレス信号を与え、コントロールゲート2に高電圧(例えば12V)、ドレイン5に高電圧(例えば7V)、ソース4に低電圧(例えば0V)を印加する。このとき、ドレイン(5)接合近傍で発生されたホットエレクトロンは、コントロールゲート2に印加された高電圧によりフローティングゲート3に注入される。この後、書き込み状態をオフにしてベリファイ動作を行なう。書き込まれたメモリセルがベリファイ成功なら書き込み完了となる。失敗なら、再び書き込みを行なって、ベリファイを行なう。この動作を規定回数実施し、ベリファイ失敗の場合は、外部へ書き込みエラーのステータスを返す。
【0008】
最後に、消去動作について説明する。
【0009】
消去はブロック単位で行なわれる。制御信号及びアドレス信号から成る制御信号及び消去データを外部から与え、コントロールゲート2に低電圧(例えば−10V)、ドレイン5をフローティング状態、ソース4に高電圧(例えば6V)を印加する。このような電圧を印加すると、フローティングゲート3−ソース4間に高電界が発生し、トンネル現象を利用してフローティングゲート3内の電子をソース4に引き抜くことができる。この後、消去状態をオフにして、書き込み時と同様にベリファイ動作を行なう。消去ブロックのすべてのメモリセルがベリファイ成功なら消去完了となる。失敗なら、再び消去に関する動作を行なって、ベリファイを行なう。この動作を規定回数実施し、ベリファイ失敗の場合は、外部へ消去エラーのステータスを返す。
【0010】
ところで、上記で説明した読み出し、書き込み、及び消去動作時等にメモリセル1のコントロールゲート2、ドレイン5、及びソース4に与えられる高電圧(12V、7V等)や負電圧(−10V等)は、一般に、チャージ・ポンプ回路により発生し、印加される。
【0011】
従来の高電圧チャージ・ポンプ回路の構成例を、図3に示す。
【0012】
各段が、それぞれ、NチャネルMOSトランジスタN1、N2、及びコンデンサC1、C2から成る、複数段(図では、8段)の昇圧段stg1、…、stg8が縦続接続された構成となっており、各段の各コンデンサには、それぞれ、図4に示すクロック信号CLK1、CLK2、CLK3、及びCLK4が印加される構成となっている。
【0013】
この高電圧チャージ・ポンプ回路の動作を簡単に説明する。
【0014】
上述のように、図3中のCLK1、CLK2、CLK3、及びCLK4は、それぞれ、各昇圧段への入力クロック信号であり、図4で表されているように、適当な”H”、”L”の期間と周期をもつ方形波である。このチャージ・ポンプ回路は、stg1のコンデンサC2から、stg2、stg3、…と、順に、コンデンサC2に電荷を蓄えて、任意の高電圧を得るものであるが、前段のコンデンサC2から、昇圧された電圧をコンデンサC2で受ける際、タイミング良く、コンデンサC1に入力されるクロック信号CLK1若しくはCLK3を、グランドレベルから電源電圧レベルに変化させることにより、前段から受け渡される昇圧電圧の電圧降下を抑える構造になっている。その後、コンデンサC2に受け渡された昇圧電圧は、入力されるクロック信号CLK2若しくはCLK4をグランドレベルから電源電圧レベルにすることにより、更に昇圧される。これにより、前段で昇圧された電位より、電源電圧幅にほぼ等しい電圧だけ昇圧することができる。この一連の動作を繰り返すことにより、ポンプの段数を重ねていくにつれて、各ポンプ段の出力電圧は高くなっていく。
【0015】
しかしながら、高電圧チャージ・ポンプ回路で発生する電圧が高くなるに伴い、バックゲート効果によりトランジスタN1、N2のしきい値が高くなってくる。すなわち、高電圧チャージ・ポンプ回路の各段で発生する電圧が高電圧になるほど、その段のトランジスタN1、N2のしきい値が高くなってくる。したがって、バックゲート効果によるトランジスタのしきい値が最も大きくのは、最も高い電圧が発生するポンプ最終段であり、トランジスタのしきい値がポンプに入力されるクロック信号電圧に等しくなった場合には、高電圧チャージ・ポンプ回路は、それ以上昇圧することができなくなる。
【0016】
例えば、電源電圧が5V程度であれば、トランジスタのしきい値に比べて、クロック信号電圧が十分に大きいため、電荷受渡し時における昇圧された電荷の電圧降下はない。これに対して、電源電圧が3V程度に低くなってくると、ポンプ最終段においては、前段から受け渡される際に昇圧した電位が下がることになり、昇圧効率が悪くなる。更に、電源電圧が2V程度にまで低くなってくると、ポンプ最終段のトランジスタのしきい値が、ポンプに入力されるクロック信号電圧にほぼ等しくなるので、前段から受け渡された電圧以上に昇圧することができなくなる。これはポンプ段をさらに追加しても、昇圧可能な電圧は同じであることを意味している。すなわち、電源電圧5V時には、チャージ・ポンプ回路で昇圧し、発生することができた電圧は、2V程度の低電圧電源では、トランジスタのしきい値上昇の影響が大きくなるために、発生することができなくなる。したがって、従来の回路において、低電源電圧、低消費電力のデバイスを設計するためには、トランジスタのしきい値を小さくする必要がある。
【0017】
バックゲート効果によるトランジスタしきい値の上昇を考慮した低電圧電源対応の高電圧チャージ・ポンプ回路の一例として、特開平6−261538号公報に示される回路がある。
【0018】
この特開平6−261538の高電圧チャージ・ポンプ回路は、クロック信号電圧を昇圧する回路が付加されており、低電圧電源に対しても、前段から受け渡される際に、昇圧した電位の降下を抑え、昇圧効率を上げるような構成になっている。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の高電圧チャージ・ポンプ回路では、クロック信号電圧を昇圧する回路で単一の昇圧電圧しか生成することができない。すなわち、電源電圧の定数倍の昇圧電圧しか生成できず、かかる高電圧チャージ・ポンプ回路では、ある特定の低電圧の電源電圧に対しては、クロック信号電圧の昇圧が有効になるが、電源電圧の範囲が広くなった場合には、電源電圧の高電圧側でクロック信号電圧の昇圧電圧が高くなり過ぎるおそれがあり、回路を構成するトランジスタ、コンデンサ等に高電圧がかかり、最悪の場合、素子が破壊し、デバイスの信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。更に、通常、昇圧された電圧に対する必要な電流量が多くなるにつれ、昇圧に用いるコンデンサの容量は大きくなる。クロック信号電圧を昇圧する回路により、この昇圧に用いるコンデンサを充電しなければならないが、この容量よりもクロック信号電圧を昇圧する容量を大きくする必要があり、レイアウト面積の増大を招く。
【0020】
【課題を解決するための手段】
図3に示す、従来の高電圧チャージ・ポンプ回路に於いては、バックゲート効果によりトランジスタのしきい値が最も大きくなるのはポンプ最終段であり、この最終段を含む後段側の1または複数の昇圧段において、トランジスタのしきい値の上昇が問題となる。前段側の各昇圧段については、その前段よりの入力昇圧電圧が比較的低いため、トランジスタのしきい値が殆ど上昇しないので、電源電圧振幅のクロック信号にて、充分に正常駆動することができる。
【0021】
本発明は、この点に着目し、チャージ・ポンプ回路を構成する複数段の昇圧段のうちの、最終段を含む、後段側の1または2以上の昇圧段に対してのみ、適度に昇圧されたクロック信号を供給し、前段側の昇圧段に対しては、通常の、電源電圧振幅のクロック信号を供給する構成としたことを特徴とするものである。
【0022】
これにより、バックゲート効果によるしきい値の上昇が回路動作に影響を及ぼす後段側の昇圧段に対してのみ、適度に昇圧されたクロック信号が効果的に印加されることになり、前段側の昇圧段に対しては、過度に昇圧されたクロック信号が印加されることがないので、トランジスタ、コンデンサ等の素子への過度な高電圧の印加が防止され、信頼性の低下、素子の破壊等を未然に防止することができるものである。
【0023】
また、各昇圧段は、それぞれ、位相の異なる2つのクロック信号(CLK1及びCLK2、又はCLK3及びCLK4)により駆動されるが、何れか一方のクロック信号(CLK1及びCLK3、又はCLK2及びCLK4)のみを昇圧させ、他方のクロック信号は昇圧させない構成であっても、バックゲート効果によるトランジスタしきい値の上昇による、ポンプ昇圧段内部に於ける昇圧電圧降下ロスを排して、所望の昇圧動作を実行させることができる。
【0024】
本発明は、この点に着目し、何れか一方のクロック信号のみを昇圧させる構成としたことを特徴とするものである。
【0025】
これにより、クロック信号昇圧回路の規模縮小を図ることができ、レイアウト面積の縮小を図ることができるものである。
【0026】
更に、電源電圧の範囲が広い場合は、低い電源電圧に対しては、クロック信号の昇圧が必要となるが、より高い電源電圧の場合には、クロック信号の昇圧が不要、或いは、より小さい幅の昇圧で、充分に正常動作を行わせることができる。
【0027】
本発明は、この点に着目し、昇圧・非昇圧、又は/及び昇圧幅の切り換え機能を有するクロック信号昇圧回路を設けたことを特徴とするものである。
【0028】
これにより、使用する電源電圧に応じた最適振幅のクロック信号をポンプ各段に印加することが可能となり、過度に昇圧されたクロック信号が印加されることを防止することができるものである。
【0029】
すなわち、請求項1に係る本発明のチャージ・ポンプ回路は、各段が、それぞれ、前段よりの出力電圧を後段に出力するためのスイッチング・トランジスタと、該スイッチング・トランジスタの出力に一方の電極が接続される、後段への出力電圧昇圧用コンデンサとを有する、n段(n:2以上の整数)の昇圧段と、上記スイッチング・トランジスタのゲートに一方の電極が接続されるゲート電圧昇圧用コンデンサの他方の電極、及び上記出力電圧昇圧用コンデンサの他方の電極に、それぞれ、所定の位相を有する第1クロック信号、及び第2クロック信号を供給するクロック信号供給回路とを有するチャージ・ポンプ回路に於いて、上記クロック信号供給回路よりのクロック信号を昇圧するクロック信号昇圧回路を設け、上記n段の昇圧段のうちの、最終段を含む、後段側m段(m:正整数)に対しては、上記クロック信号昇圧回路よりの昇圧クロック信号を供給し、前段側(n−m)段に対しては、上記クロック信号供給回路よりのクロック信号を供給する構成としたことを特徴とするものである。
【0030】
また、請求項2に係る本発明のチャージ・ポンプ回路は、各段が、それぞれ、前段よりの出力電圧を後段に出力するためのスイッチング・トランジスタと、該スイッチング・トランジスタの出力に一方の電極が接続される、後段への出力電圧昇圧用コンデンサとを有する、n段(n:2以上の整数)の昇圧段と、上記スイッチング・トランジスタのゲートに一方の電極が接続されるゲート電圧昇圧用コンデンサの他方の電極、及び上記出力電圧昇圧用コンデンサの他方の電極に、それぞれ、所定の位相を有する第1クロック信号、及び第2クロック信号を供給するクロック信号供給回路とを有するチャージ・ポンプ回路に於いて、上記クロック信号供給回路よりの第1クロック信号又は第2クロック信号の何れか一方のクロック信号のみを昇圧するクロック信号昇圧回路を設け、上記n段の昇圧段のうちの、最終段を含む、後段側m段(m:正整数)に対しては、上記クロック信号昇圧回路よりの昇圧第1クロック信号又は昇圧第2クロック信号と、上記クロック信号供給回路よりの第2クロック信号又は第1クロック信号とを供給し、前段側(n−m)段に対しては、上記クロック信号供給回路よりの第1クロック信号及び第2クロック信号を供給する構成としたことを特徴とするものである。
【0031】
更に、請求項3に係る本発明のチャージ・ポンプ回路は、上記請求項1又は2に係るチャージ・ポンプ回路に於いて、制御信号に応じて、昇圧・非昇圧、又は/及び昇圧幅を切り換える切換回路を有する上記クロック信号昇圧回路を設けたことを特徴とするものである。
【0032】
更に、請求項4に係る本発明のチャージ・ポンプ回路は、上記請求項1、2又は3に係るチャージ・ポンプ回路に於いて、負電圧方向の昇圧を行うことを特徴とするものである。
【0033】
かかる本発明のチャージ・ポンプ回路によれば、広電源電圧範囲に対応し、クロック信号の過昇圧によるトランジスタ、コンデンサ等の素子の破壊を防止することができ、かつ、低電源電圧時においても、バックゲート効果の影響を緩和させて、より高電圧への昇圧を可能とした高電圧チャージ・ポンプ回路を、できる限りにおいてレイアウト面積を小さくして提供することができるものである。
【0034】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0035】
(実施の形態1)
図1は、本発明の第1の実施形態であるチャージ・ポンプ回路の構成を示す回路構成図である。
【0036】
図3に示す従来のチャージ・ポンプ回路と同様に、各段が、それぞれ、NチャネルMOSトランジスタN1、N2、及びコンデンサC1、C2から成る、複数段(図では、8段)の昇圧段stg1、…、stg8が縦続接続された構成となっている。すなわち、複数段の昇圧段の構成については、従来と同様の構成となっており、前段のコンデンサC2から昇圧された電位をコンデンサC2で受ける際、タイミング良くコンデンサC1に入力されるクロック信号をグランドレベルから電源電圧レベルに変化させることにより、前段から受け渡される電荷電位の電圧降下を抑える構造になっている。
【0037】
従来のチャージ・ポンプ回路との相違点は、後段側の5段目以降の各昇圧段のコンデンサC1(NチャネルMOSトランジスタN2のゲート電圧昇圧用コンデンサ)に印加するクロック信号として、従来のクロック信号CLK1及びCLK3に代えて、該クロック信号CLK1及びCLK3をクロック信号昇圧回路BSTCRCTにより昇圧させた昇圧クロック信号BSTCLK1及びBSTCLK3を用いる構成としている点である。なお、5段目以降の各昇圧段のコンデンサC2(後段への出力電圧昇圧用コンデンサ)へのクロック信号は、従来と同様にCLK2またはCLK4であり、また、前段側の4段目までの各昇圧段の各コンデンサC1及びC2へのクロック信号印加は、従来と全く同様である。
【0038】
本実施形態に於いては、チャージ・ポンプ5段目以降については、前段からの昇圧された電圧を受けとる際、クロック信号昇圧回路BSTCRCTより出力される昇圧クロック信号BSTCLK(図5に示すように、入力クロック信号CLKと同位相で、振幅が電源電圧(Vcc)以上とされたクロック信号)を、コンデンサC1の一方の電極に印加する。なお、クロック信号昇圧回路としては、通常のブースト回路を用いることができる。これにより、バックゲート効果が顕著に現れる高電圧チャージ・ポンプ回路の後半段において、前段からの電荷受渡し時の電圧降下を抑えつつ、一方でレイアウト面積の増大を極力抑えることができる。
【0039】
本チャージ・ポンプ回路の前半段では、前段のコンデンサC2から昇圧された電位をコンデンサC2で受ける際、タイミング良く、コンデンサC1に入力されるクロック信号CLK1若しくはCLK3を、グランドレベルから電源電圧レベルに変化させることにより、前段から受け渡される電位のロスを抑える。その後、コンデンサC2に入力されるクロック信号CLK2若しくはCLK4をグランドレベルから電源電圧レベルにすることにより昇圧を行なう。これにより、前段で昇圧された電位より、電源電圧幅にほぼ等しい電圧だけ昇圧することができる。この前半段ではバックゲート効果の影響が小さく、トランジスタのしきい値にも殆ど変化が見られない。よって、このチャージ・ポンプ回路前半段については、レイアウト面積を小さくするという目的からクロック信号昇圧回路BSTCRCTによる入力クロック信号の昇圧は行なわない。
【0040】
しかしながら、高電圧チャージ・ポンプ回路後半段では、昇圧電圧が高くなるに伴い、バックゲート効果によりトランジスタN1、N2のしきい値が高くなってくる。次第に高くなるトランジスタのしきい値が、入力クロック信号CLK1〜CLK4のクロック電圧(通常、電源電圧Vcc)に等しくなった場合、前段から受け渡される昇圧電圧と、次段に受け渡す昇圧電圧が同じ電位になってしまう。すなわち、(トランジスタのしきい値)=(クロック信号電圧)の状況になってしまうと、高電圧チャージ・ポンプ回路の段数を増加させても昇圧することができない。したがって、トランジスタのしきい値を下げるか、或いは、クロック信号電圧を上げるという手法を用いなければ、それ以上の高電圧チャージ・ポンプ回路による昇圧は不可能である。
【0041】
本発明に於いては、後者のクロック信号電圧を上げるという手法を用いている。この場合、後段側の各昇圧段のコンデンサC1とコンデンサC2に印加されるクロック信号CLK1〜CLK4のすべてを昇圧する構成としてもよいが、必ずしも、クロック信号CLK1、CLK3の信号電圧と、クロック信号CLK2、CLK4の信号電圧の双方を昇圧する必要はない。何れか一方の入力クロック信号の電圧を昇圧することでも、高電圧チャージ・ポンプ回路の出力電圧の更なる昇圧が可能である。これは、レイアウト面積、チャージ・ポンプ出力電圧の設計目標を比較検討することで決定するのが望ましい。
【0042】
本実施形態に於いては、電荷受渡し時のロスを抑えるための、トランジスタN2を駆動する入力クロック信号CLK1、CLK3の電圧のみを昇圧する構成としている。前段より受け取った電荷電圧を昇圧する入力クロック信号CLK2、CLK4の電圧は昇圧を行なわないで、レイアウト面積の低減を図っている。通常、CLK1、CLK3に比べ、CLK2、CLK4により駆動されるコンデンサの方が、その容量が大きい。したがって、入力クロック信号の昇圧回路BSTCRCTを、クロック信号CLK2、CLK4に対しても設けた場合、そのコンデンサ容量を比較的大きくしなければならず、レイアウト面積の増大を招いてしまう。これらの状況に鑑み、本実施形態に於いては、電荷受渡し時のロスを抑えるための、トランジスタN2を駆動する入力クロック信号CLK1、CLK3の電圧のみを昇圧する構成としている。このように、高電圧チャージ・ポンプ回路後半段では、電荷受け渡し時のロスを抑えるためのトランジスタN2を駆動するクロック信号を、昇圧クロック信号BSTCLK1、BSTCLK3とすることで、入力クロック信号CLK1、CLK3の場合では発生させることができなかった高電圧を、低電圧電源に対しても発生・出力することができるものである。
【0043】
なお、クロック信号昇圧回路は、図1に示すように、各段毎に設ける構成としてもよいが、クロック信号CLK1用の昇圧回路と、クロック信号CLK3用の昇圧回路とを、それぞれ一つずつ設け、前者の出力(昇圧クロック信号BSTCLK1)を5段目と7段目に共通に供給し、後者の出力(昇圧クロック信号BSTCLK3)を6段目と8段目に共通に供給する構成とする方が、レイアウト面積縮小の効果が大きい。
【0044】
次に、クロック信号昇圧回路BSTCRCTの構成について、更に詳細な説明を進める。
【0045】
上述のように、クロック信号昇圧回路BSTCRCTとしては、通常のブースト回路を用いることができるが、チャージ・ポンプ回路が含まれる集積回路の電源電圧範囲が広い場合、電源電圧が低い場合は、クロック信号の昇圧が必要であるが、電源電圧が比較的高い場合は、昇圧が不要、若しくは、昇圧幅が小さくても充分であるという場合が考えられる。したがって、電源電圧に応じて、昇圧・非昇圧または昇圧幅、或いは、その双方を切り換えられる構成とすることにより、電源電圧に応じて、最適振幅のクロック信号を昇圧段に印加することが可能となり、過度に昇圧されたクロック信号が印加されることによる、コンデンサ等の破壊を未然に防止することができる。
【0046】
具体的に説明すると、電源電圧範囲が広範囲に及ぶ場合、例えば、1.8Vと、3.3Vの2つの電源電圧が設定されている場合では、電源電圧1.8V時には、クロック信号の昇圧が有効であるが、同様の回路条件で、電源電圧3.3Vにすると、昇圧クロック信号BSTCLKの電圧レベルが高くなりすぎ、コンデンサ等の破壊を起こす可能性がある。したがって、電源電圧3.3Vモードでは、昇圧クロック信号BSTCLKの電圧レベルを下げる必要がある。更に、電源電圧5Vモードでは、電源電圧振幅のクロック信号で、設計目標の昇圧電圧を達成できるので、クロック信号の昇圧動作をする必要がない。以上のことより、コンデンサ等の破壊を防ぐために、電源電圧により、クロック信号の昇圧電位を変更する必要がある。
【0047】
図6は、昇圧幅を切り換えられる構成としたクロック信号昇圧回路の一構成例を示す回路図である。この回路は、例えば、電源電圧として、1.8Vと3.3Vとが設定されている場合に用いて有効なものであり、電源電圧が1.8Vのときは、セレクト信号BSTSELが、”H”に設定されることにより、昇圧幅が大きくなり、電源電圧が3.3Vのときは、セレクト信号BSTSELが、”L”に設定されることにより、昇圧幅が小さくなる。なお、セレクト信号については、電源電圧に応じて、所定レベルを外部より入力する構成としてもよいし、或いは、電源電圧に応じて、内部回路(電圧検出回路)により発生させる構成としてもよい。
【0048】
図7は、昇圧・非昇圧を切り換えられる構成としたクロック信号昇圧回路の一構成例を示す回路図である。この回路は、例えば、電源電圧として、1.8Vと5Vとが設定されている場合に用いて有効なものであり、電源電圧が1.8Vのときは、セレクト信号BSTSELが、”H”に設定されることにより、クロック信号の昇圧動作が実行され、電源電圧が5Vのときは、セレクト信号BSTSELが、”L”に設定されることにより、昇圧動作の実行は停止される。なお、セレクト信号については、上記と同様に、電源電圧に応じて、所定レベルを外部より入力する構成としてもよいし、或いは、電源電圧に応じて、内部回路(電圧検出回路)により発生させる構成としてもよい。
【0049】
図6或いは図7に示すクロック信号昇圧回路を用いることにより、電源電圧が比較的高電圧の場合に於いても、クロック信号の過昇圧によるコンデンサ、トランジスタ等の破壊を未然に防止することができるものである。
【0050】
なお、クロック信号昇圧回路として、昇圧・非昇圧の切り換えと、昇圧幅の切り換えの双方が可能な回路を設けることも可能であり、かかる構成とすることにより、例えば、電源電圧として、1.8V、3.3V、及び5Vが設定されているような場合にも対応が可能となるものである。
【0051】
(実施の形態2)
上述の実施形態は、正方向の高電圧を発生させるチャージ・ポンプ回路において本発明を実施したものであるが、本発明は、負方向の高電圧を発生させる負電圧チャージ・ポンプ回路においても同様に実施することができる。
【0052】
図8は、本発明の実施形態である負電圧チャージ・ポンプ回路の構成図である。複数段(図では8段)の昇圧段stg1、…、stg8の構成は、基本的に図1と同様の構成であるが、負電圧を出力するものであるため、トランジスタが、NチャネルMOSトランジスタ(N1、N2)からPチャネルMOSトランジスタ(P1、P2)に変更されている点が相違する。図1に示す高電圧チャージ・ポンプ回路と同様に、後段側の5段目以降の昇圧段に対してのみ、昇圧クロック信号BSTCLK1またはBSTCLK3を印加する構成としている。すなわち、クロック信号CLK1用の昇圧回路BSTCRCT1と、クロック信号CLK3用の昇圧回路BSTCRCT2とを、各一つずつ設け、前者の出力(昇圧クロック信号BSTCLK1)を5段目と7段目の昇圧段に共通に供給し、後者の出力(昇圧クロック信号BSTCLK3)を6段目と8段目の昇圧段に共通に供給する構成としている。クロック信号昇圧回路BSTCRCTとしては、上述した、図6若しくは図7に示す昇圧回路、或いは、他の構成のブースト回路を用いることができる。なお、負電圧チャージ・ポンプ回路駆動用のクロック信号CLK1〜CLK4の波形図を図9に示す。
【0053】
図8に示す負電圧チャージ・ポンプ回路のうち、クロック信号CLK1及びCLK2が入力されるポンプ段は、クロック信号CLK1がVcc(電源電圧レベル)からVss(グランドレベル)に変化することにより、PチャネルMOSトランジスタP2がオンし、前段から受け渡される負の電荷電位の電圧降下を抑える。更に、クロック信号CLK1がVssからVccに変化するとともに、クロック信号CLK2がVccからVssに変化することにより、電源電圧幅にほぼ等しい電圧だけ降圧を行う。同様に、クロック信号CLK3及びCLK4が入力されるポンプ段は、クロック信号CLK3がVcc(電源電圧レベル)からVss(グランドレベル)に変化することにより、PチャネルMOSトランジスタP2がオンし、前段から受け渡される負の電荷電位の電圧降下を抑える。更に、クロック信号CLK3がVssからVccに変化するとともに、クロック信号CLK4がVccからVssに変化することにより、電源電圧幅にほぼ等しい電圧だけ降圧を行う。
【0054】
しかしながら、負電圧チャージ・ポンプ回路においても、PチャネルMOSトランジスタのしきい値(絶対値)が高くなる問題は生じ、最悪の場合、更なる降圧を行えなくなる可能性がある。
【0055】
そこで、本発明は、後段側の5段目以降のポンプ段を構成する、電荷受け渡しのために付加されているPチャネルMOSトランジスタP2側に、グランドレベルと昇圧された電圧の間を変化するBSTCLK(BSTCLK1、BSTCLK3)を入力する。チャージ・ポンプ回路を構成するPチャネルMOSトランジスタのしきい値が上昇する問題は、クロック信号CLK1やCLK3より変化の幅が大きい、昇圧された電圧とグランドレベル間で変化する昇圧クロック信号BSTCLK1、BSTCLK2をチャージ・ポンプ回路に入力することにより解決される。すなわち、PチャネルMOSトランジスタのゲートとBSTCLK間に接続されるコンデンサC1により、クロック信号CLK1やCLK3を用いる場合よりも更に降圧された電圧が該PチャネルMOSトランジスタのゲートに印加され、該PチャネルMOSトランジスタP2を確実にオンさせることが可能となる。これにより、PチャネルMOSトランジスタのしきい値上昇による、電荷受け渡し時のロスが抑制され、効率よく負電圧の発生が行われることとなる。
【0056】
なお、前半段のポンプ段では、PチャネルMOSトランジスタのしきい値の変化は殆ど見られないため、レイアウト面積の縮小化の観点からブースト回路を用いたクロック信号の昇圧は行わない。
【0057】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のチャージ・ポンプ回路によれば、広電源電圧範囲に対応し、高電源電圧側でのクロック信号の過昇圧によるコンデンサ、トランジスタ等の破壊を防止することができ、かつ、低電源電圧時に於いても、バックゲート効果の影響を緩和させて、より高電圧への昇圧を可能とした高電圧チャージ・ポンプ回路を、できる限りに於いてレイアウト面積を小さくして提供することができるものある。
【0058】
なお、特開平9−7384号公報には、低電源電圧と高電源電圧のそれぞれに対応したクロック信号(位相信号)を生成する構成とした,チャージ・ポンプ形負電圧供給回路用位相信号発生回路が開示されているが、回路規模が大きく、レイアウト面積の増大につながるという問題点を有する。また、負電圧チャージ・ポンプ回路を構成するすべてのポンプ段が個々に位相信号発生回路と接続する構成であるため、レイアウト面積が更に増大する。更に、ブースト位相信号は、負電位から電源電位(Vcc)まで変化するため、位相信号発生回路で電流の逆流が生じ、回路上問題を生じやすい。といった問題点も有する。本発明によれば、かかる問題点も生じない極めて有用なチャージ・ポンプ回路を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である高電圧チャージ・ポンプ回路の回路構成図である。
【図2】フラッシュメモリのセル構造を示した模式図である。
【図3】従来のチャージ・ポンプ回路の回路構成図である。
【図4】高電圧(正電圧)チャージ・ポンプ回路駆動用のクロック信号の波形図である。
【図5】クロック信号CLKと、昇圧クロック信号BSTCLKとの関係を示す信号波形図である。
【図6】クロック信号昇圧回路の一構成例を示す回路図である。
【図7】クロック信号昇圧回路の他の構成例を示す回路図である。
【図8】本発明の他の実施形態である負電圧チャージ・ポンプ回路の回路構成図である。
【図9】負電圧チャージ・ポンプ回路駆動用のクロック信号の波形図である。
【符号の説明】
stg1、… 昇圧段
N1、N2 NチャネルMOSトランジスタ
C1、C2 コンデンサ
BSTCRCT クロック信号昇圧回路
CLK1、… クロック信号
BSTCLK1、BSTCLK2 昇圧クロック信号
P1、P2 PチャネルMOSトランジスタ
BSTCRCT1、BSTCRCT2 クロック信号昇圧回路
Claims (4)
- 各段が、それぞれ、前段よりの出力電圧を後段に出力するためのスイッチング・トランジスタと、該スイッチング・トランジスタの出力に一方の電極が接続される、後段への出力電圧昇圧用コンデンサとを有する、n段(n:2以上の整数)の昇圧段と、上記スイッチング・トランジスタのゲートに一方の電極が接続されるゲート電圧昇圧用コンデンサの他方の電極、及び上記出力電圧昇圧用コンデンサの他方の電極に、それぞれ、所定の位相を有する第1クロック信号、及び第2クロック信号を供給するクロック信号供給回路とを有するチャージ・ポンプ回路に於いて、
上記クロック信号供給回路よりのクロック信号を昇圧するクロック信号昇圧回路を設け、上記n段の昇圧段のうちの、最終段を含む、後段側m段(m:正整数)に対しては、上記クロック信号昇圧回路よりの昇圧クロック信号を供給し、前段側(n−m)段に対しては、上記クロック信号供給回路よりのクロック信号を供給する構成としたことを特徴とするチャージ・ポンプ回路。 - 各段が、それぞれ、前段よりの出力電圧を後段に出力するためのスイッチング・トランジスタと、該スイッチング・トランジスタの出力に一方の電極が接続される、後段への出力電圧昇圧用コンデンサとを有する、n段(n:2以上の整数)の昇圧段と、上記スイッチング・トランジスタのゲートに一方の電極が接続されるゲート電圧昇圧用コンデンサの他方の電極、及び上記出力電圧昇圧用コンデンサの他方の電極に、それぞれ、所定の位相を有する第1クロック信号、及び第2クロック信号を供給するクロック信号供給回路とを有するチャージ・ポンプ回路に於いて、
上記クロック信号供給回路よりの第1クロック信号又は第2クロック信号の何れか一方のクロック信号のみを昇圧するクロック信号昇圧回路を設け、上記n段の昇圧段のうちの、最終段を含む、後段側m段(m:正整数)に対しては、上記クロック信号昇圧回路よりの昇圧第1クロック信号又は昇圧第2クロック信号と、上記クロック信号供給回路よりの第2クロック信号又は第1クロック信号とを供給し、前段側(n−m)段に対しては、上記クロック信号供給回路よりの第1クロック信号及び第2クロック信号を供給する構成としたことを特徴とするチャージ・ポンプ回路。 - 請求項1又は2に記載のチャージ・ポンプ回路に於いて、
制御信号に応じて、昇圧・非昇圧、又は/及び昇圧幅を切り換える切換回路を有する上記クロック信号昇圧回路を設けたことを特徴とするチャージ・ポンプ回路。 - 負電圧方向の昇圧を行うことを特徴とする、請求項1、2又は3に記載のチャージ・ポンプ回路。
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