JP3753898B2 - 半導体記憶装置の昇圧回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体記憶装置に関し、特に半導体記憶装置内の電源電圧昇圧回路により昇圧した昇圧電圧の電源電圧及び温度に対する変動を補償した半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図1はフラッシュメモリの概念図を示す図である。図1のフラッシュメモリは、主に、セルアレイ101、リファレンスセル102、センスアンプ103、制御回路104、昇圧回路105、スイッチ120から123、MOSトランジスタ124から126を有する。セルアレイ101は、データ”1”または”0”を記憶するメモリセル110から113を有する。
【0003】
先ず最初に、フラッシュメモリのセルアレイ101のメモリセル110よりデータを読み出す場合の動作について説明する。
制御回路104より、昇圧回路105の昇圧開始信号KICKBが出力される。これにより、昇圧回路105により昇圧された電圧がノードaに出力される。制御回路104より、ワード線WL0を選択するために、ワード線選択信号WSEL0が出力され、スイッチ120がオンとなる。これにより昇圧回路105で昇圧された電圧が、ワード線WL0に供給される。また、制御回路104より、ビット線B0を選択するために、ビット線選択信号BSEL0が出力されMOSトランジスタ124がオンとなる。同時に、制御回路104より、リファレンスセルを選択するための選択信号WSELとBSELが出力されスイッチ123及びMOSトランジスタ126がオンとなる。これにより、メモリセル110を流れる電流と、リファレンスセル102を流れる電流がセンスアンプ103に入力される。センスアンプ103は2つの入力電流を比較し、リファレンスセル102を流れる電流よりも、メモリセル110を流れる電流の方が大きい場合には、センスアンプ出力Dより”1”を出力する。逆に、リファレンスセル102を流れる電流よりも、メモリセル110を流れる電流の方が小さい場合には、センスアンプ出力Dより”0”を出力する。同様に、他のメモリセル111、112、113よりデータを読み出すことができる。
【0004】
図2は、リファレンスセル102及びセルアレイ101内の各メモリセルのゲート電圧とドレイン電流の関係を示す図である。実線201はセルアレイ101内のメモリセルに”1”が記憶されている場合のゲート電圧とドレイン電流の関係を示す。実線202はセルアレイ101内のメモリセルに”0”が記憶されている場合のゲート電圧とドレイン電流の関係を示す。また、実線203はリファレンスセル102のゲート電圧とドレイン電流の関係を示す。
【0005】
破線204は、フラッシュメモリに供給された電源電圧がリファレンスセル102及びセルアレイ101内の各メモリセルのゲートに供給された場合を示す。電源電圧がセルアレイ101内のメモリセル及びリファレンスセル102のゲートに供給された場合、セルアレイ101内のメモリセルに”1”が記憶されている場合には、リファレンスセル102のドレイン電流よりもセルアレイ101内のメモリセルのドレイン電流の方が大きいので、センスアンプ103により、記憶データ”1”を識別することができる。しかし、セルアレイ101内のメモリセルに”0”が記憶されている場合には、リファレンスセル102のドレイン電流とセルアレイ101内のメモリセルのドレイン電流が共に非常に小さく、センスアンプ103により、記憶データ”0”を識別することができない。このために、記憶データを読み出す際には、セルアレイ101内の各メモリセルおよびリファレンスセル102のゲートに供給する電圧を、破線205に示す電圧に昇圧することが必要である。
【0006】
さらに、この昇圧した電圧205が、電源電圧変動または温度変動等により、破線206のように低下すると、上記と同様に、セルアレイ101内のメモリセルから”0”を読み出す際のマージンが減少する。一方、この昇圧した電圧205が、電源電圧変動または温度変動等により更に破線207のように上昇すると、セルアレイ101内のメモリセルに”0”を書き込んでしまう場合がある。
【0007】
図3は、従来の昇圧回路105の回路図を示した図である。昇圧回路105は、PMOSトランジスタtr1、NMOSトランジスタtr2、tr3、tr15、インバータ301、302、303、キャパシタCa、Cb、及びクランプ回路310を有する。クランプ回路310はPMOSトランジスタtr4、NMOSトランジスタtr5、tr6、インバータ304,305を有する。また、図4は、従来の昇圧回路105の動作タイミングを示した図である。
【0008】
図3において、KICKBがHIGHからLOWとなると、PMOSトランジスタtr1がオンしてKICK0がHIGHとなる。また、NMOSトランジスタtr3はオフする。同時にNMOSトランジスタtr15がオフして、ノードbb4がフローティングとなる。ノードbb4は、NMOSトランジスタtr2のドレインとゲート間のキャパシタ(容量)によるカップリングで電源電圧以上の電圧に上昇し、またNMOSトランジスタtr2はオンしてキャパシタCa、及びCbを急速に充電する。
【0009】
一方、KICK0がHIGHとなってから、インバータ304及びインバータ305の2段分の遅延の後、PMOSトランジスタtr4、NMOSトランジスタtr5、tr6がオンとなる。これによって、ノードbb4は、クランプ回路310において決定される所定の電圧にとなり、NMOSトランジスタtr2の電流が制御される。このようにして、ノードbb3は、ノードbb4の電圧からNMOSトランジスタtr2のしきい値Vthだけ低い電圧に制御される。
【0010】
ノードaにおける昇圧された電圧Vaは、
Va=電源電圧+{Ca/(Ca+Cb)}*bb3
で与えられる。
また、KICKBがLOWからHIGHに変化すると、ノードbb3はグランドレベルとなる。
【0011】
図3に示す昇圧回路は、KICKBがLOWになってから、ノードbb3の電圧が所定の電圧まで上昇するのに数ナノ秒かかり、また、ノードbb3の電圧が所定の電圧まで上昇してから数十ナノ秒でKICKBを再びHIGHにするように制御される。
表1は、図3に示す従来の昇圧回路の電源電圧依存性を示す。
【0012】
【表1】
【0013】
電源電圧が2.6Vから3.7Vまで1.1V上昇したときノードaの電圧Vaは1.32V上昇する。この様に、ノードaの電圧Vaは、正の電源電圧依存性を有する。
また、表2は、図3に示す従来の昇圧回路の温度依存性を示す。
【0014】
【表2】
【0015】
温度が−55℃から140℃に上昇したときに、ノードaの電圧Vaは、0.17V低下する。これは、温度が高いほど、一定の時間内にノードbb3の電圧がクランプ回路310で制御される電圧に到達するのが遅いためである。この様に、ノードaの電圧Vaは、負の温度依存性を有する。
従って、図3に示す従来の昇圧回路は、電源電圧が高く且つ、温度が低い場合には最もノードaの昇圧電圧Vaは高くなる。逆に、電源電圧が低く且つ、温度が高い場合には最もノードaの昇圧電圧Vaは低くなる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、電源電圧が低く且つ温度が高い場合には、セルアレイ内のメモリセルから”0”を読み出す際のマージンが減少する。一方、電源電圧が高く且つ、温度が低い場合には、セルアレイ内のメモリセルに”0”を書き込んでしまう場合があるという問題があった。
【0017】
そこで、本発明は、昇圧電圧の電源電圧変動及び温度変動を補償した昇圧回路を有する半導体記憶装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、次のように達成される。
請求項1は、半導体記憶装置の昇圧回路において、
昇圧の電圧源を構成する第1のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタのソースに接続され、ドレイン電位の上昇に応じて昇圧電圧を生成する容量と、
前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続され、前記ドレイン電位の上昇に応じてゲート電位が上昇した後、該ゲート電位をクランプ電位にクランプするクランプ回路と、
前記クランプ回路に、電源電圧と温度との変動を補償する信号を与える補償回路とを含み、
前記クランプ電圧が電源電圧の上昇に対して低下し、かつ温度の上昇に対して上昇することで、前記昇圧回路の電源電圧及び温度の変動を補償することを特徴とする。
【0019】
請求項1によれば、昇圧電圧の電源電圧変動を補償した昇圧回路を有する半導体記憶装置を提供できる。
【0021】
請求項2は、請求項1記載の半導体記憶装置の昇圧回路において、
前記補償回路は、電源電圧及び温度の変動を補償した定電圧を出力する第1の出力と、電源電圧の上昇に対して上昇しかつ、温度の上昇に対して低下する電圧を出力する第2の出力を有する電圧源と、
前記第1及び第2の出力を入力とし、前記第2の出力の出力電圧が上昇した場合には低下した電圧を出力し、前記第2の出力の出力電圧が低下した場合には上昇する電圧を出力する変換回路を有することを特徴とする。
【0022】
請求項2によれば、補償回路により負の電源電圧依存性をもち且つ正の温度依存性をもつ制御電圧を発生できるので、昇圧電圧の電源電圧変動及び温度変動を補償した昇圧回路を有する半導体記憶装置を提供できる。
請求項3は、請求項2記載の半導体記憶装置の昇圧回路において、
前記変換回路は、電源とグランド間に直列に接続された、前記第1のMOSトランジスタよりもしきい値の低い第2及び第3のMOSトランジスタより成り、電源に接続された第2のMOSトランジスタのゲートには、前記電圧源の前記第1の出力が接続され、グランドに接続された第3のMOSトランジスタのゲートには、前記電圧源の前記第2の出力が接続されたことを特徴とする。
【0023】
請求項3によれば、前記変換回路をしきい値の低い第2及び第3のMOSトランジスタで構成できるので、より高精度に、昇圧電圧の電源電圧変動及び温度変動を補償した昇圧回路を有する半導体記憶装置を提供できる。
【0024】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例について説明する。
図5は、本発明の昇圧回路の実施例を示す回路図である。図5において、図3と同一番号を付した構成要素は、同一の構成要素を表す。本実施例の昇圧回路は、図3の従来の昇圧回路に対して、改良したクランプ回路501を有し、また、新たに、電源電圧及び温度補償回路502及び、電源電圧及び温度補償回路503を有する。電源電圧及び温度補償回路502は、PMOSトランジスタtr11、tr13、NMOSトランジスタtr12、tr14及び抵抗R1を有する。電源電圧及び温度補償回路503は、NMOSトランジスタtr9、tr10を有する。特に、NMOSトランジスタtr9、tr10は他のNMOSトランジスタよりもしきい値Vthの低いNMOSトランジスタを使用する。本実施例は、図3のノードbb4を制御するクランプ回路310のノードbb6に相当するノードとしてノードclampを追加し、ノードclampを制御する回路として電源電圧及び温度補償回路502及び503を追加した。そして、ノードclampに負の電源電圧依存性及び、正の温度依存性を持たせ、電圧Vaの変動を補償するようにした。
【0025】
先ず最初に、電源電圧の変動に対する補償について説明する。
図3に示す従来の昇圧回路では、ノードbb3の電圧が正の電源電圧依存性を持っている。そこでノードclampによりノードbb3に負の電源電圧依存性を持たせる。
電源電圧及び温度補償回路502は定電圧源回路の一つであり、出力IN1は、電源電圧VCCによらず一定の電圧が出力される。一方、出力IN2は、電源電圧VCCが上昇するのに伴って電圧値が上昇する。電源電圧及び温度補償回路503のNMOSトランジスタtr9のゲートにはIN1が接続され、また、NMOSトランジスタtr10のゲートにはIN2が接続されている。電源電圧VCCによらずNMOSトランジスタtr9のゲート電圧は一定であり且つ、電源電圧VCCが上昇するのに伴ってIN2の電圧値は上昇するので、電源電圧VCCが上昇するのに伴って、ノードclampの電圧値は減少する。このようにして、ノードclampは、負の電源電圧依存性を持つ。一方、ノードbb4の電圧は、ノードclampの電圧から、PMOSトランジスタtr7のしきい値電圧Vthだけ高い電圧であるので、ノードclampと同様に、ノードbb4の電圧も負の電源電圧依存性を持つ。ノードbb3の電圧は、ノードbb4の電圧からNMOSトランジスタtr2のしきい値電圧Vthだけ下がった電圧である。従って、ノードbb3の電圧の正の電源電圧依存性が補償される。この結果、電圧Vaの正の電源電圧依存性が補償される。
【0026】
表3は、本実施例の昇圧回路の電源電圧依存性を示した表である。
【0027】
【表3】
【0028】
図3に示す従来の昇圧回路では、表1に示すように、電源電圧が2.6Vから3.7Vまで1.1V上昇したときノードaの電圧Vaは1.32V上昇した。しかし、本実施例の昇圧回路では、電源電圧が2.6Vから3.7Vまで1.1V上昇した時のノードaの電圧Vaの上昇は0.84Vである。この様に、電源電圧の上昇に伴うノードaの電圧Vaの上昇を小さくすることができる。
【0029】
次に、温度の変動に対する補償について説明する。
電源電圧及び温度補償回路502のP+抵抗を用いた抵抗R1は、温度が上昇するに伴ってキャリアの移動度が減少することにより抵抗値が増加する。したがって、抵抗R1は正の温度係数を持つ。同様に、MOSトランジスタも、温度が高くなるとキャリアの移動度が減少する。しかし、温度に対するキャリアの移動度の減少の割合は、MOSトランジスタの方が大きい。
【0030】
温度が上昇すると、NMOSトランジスタtr12を流れる電流Iは減少する。これにより、NMOSトランジスタtr12のソースn1の電圧は低下する。電源電圧及び温度補償回路502のノードIN1の電圧は若干上昇するが電圧変動は非常に小さいので、NMOSトランジスタtr12のゲートソース間電圧が上昇し、NMOSトランジスタtr12の電流能力は補償される。しかし、PMOSトランジスタtr11は温度に対して補償されていないので、温度の上昇に伴うキャリアの移動度の減少によりチャンネル抵抗が増加し、ノードIN2の電圧は低下する。ノードIN2の電圧が低下すると、PMOSトランジスタtr13のゲートソース間電圧が上昇し、PMOSトランジスタtr13を流れる電流は増加する。しかし、温度上昇により、PMOSトランジスタtr13のキャリアの移動度は減少しているので、PMOSトランジスタtr13を流れる電流の増加はわずかである。従って、ノードIN1の電圧はわずかに上昇する。
【0031】
ノードIN1は電源電圧及び温度補償回路503のNMOSトランジスタtr9のゲートに接続され、ノードIN2は電源電圧及び温度補償回路503のNMOSトランジスタtr10のゲートに接続されている。温度上昇に従って、ノードIN2の電圧が低下すると、ノードclampの電圧が上昇する。このように、ノードclampは、正の温度依存性を持つ。
【0032】
電源電圧の温度依存性と同様な動作によって、温度上昇に従ってノードbb4の電圧が上昇し、ノードbb3の電圧が温度補償される。従って、ノードaの電圧Vaが温度補償される。
表4は、本実施例の昇圧回路の温度依存性を示した表である。
【0033】
【表4】
【0034】
図3に示す従来の昇圧回路では、表2に示すように、温度が−55℃から140℃に上昇したときに、電圧Vaは、0.17V低下する。しかし、本実施例の昇圧回路では、温度が−55℃から140℃に上昇した時の電圧Vaの低下は0.08Vである。この様に、温度の上昇に伴うノードaの電圧Vaの低下を小さくすることができる。
【0035】
【発明の効果】
本発明によれば、補償回路により負の電源電圧依存性をもち且つ正の温度依存性をもつ制御電圧を発生できるので、昇圧電圧の電源電圧変動及び温度変動を補償した昇圧回路を有する半導体記憶装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】フラッシュメモリの概念図を示す図である。
【図2】リファレンスセル102及びセルアレイ101内のメモリセルトランジスタのゲート電圧とドレイン電流の関係を示す図である。
【図3】従来の昇圧回路の回路図を示した図である。
【図4】従来の昇圧回路の動作タイミングを示した図である。
【図5】本発明の昇圧回路の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
101 セルアレイ
102 リファレンスセル
103 センスアンプ
104 制御回路
105 昇圧回路
120〜123 スイッチ
301〜305 インバータ
310 クランプ回路
Ca、Cb キャパシタンス
501 クランプ回路
502 電源電圧及び温度補償回路
503 電源電圧及び温度補償回路
tr1、tr4、tr7、tr11、tr13 PMOSトランジスタ
tr2、tr3、tr5、tr6、tr8、tr9、tr10、tr12、tr14、tr15 NMOSトランジスタ
Claims (3)
- 半導体記憶装置の昇圧回路において、
昇圧の電圧源を構成する第1のMOSトランジスタと、
前記第1のMOSトランジスタのソースに接続され、ドレイン電位の上昇に応じて昇圧電圧を生成する容量と、
前記第1のMOSトランジスタのゲートに接続され、前記ドレイン電位の上昇に応じてゲート電位が上昇した後、該ゲート電位をクランプ電位にクランプするクランプ回路と、
前記クランプ回路に、電源電圧と温度との変動を補償する信号を与える補償回路とを含み、
前記クランプ電圧が電源電圧の上昇に対して低下し、かつ温度の上昇に対して上昇することで、前記昇圧回路の電源電圧及び温度の変動を補償することを特徴とする半導体記憶装置の昇圧回路。 - 請求項1記載の半導体記憶装置の昇圧回路において、
前記補償回路は、電源電圧及び温度の変動を補償した定電圧を出力する第1の出力と、電源電圧の上昇に対して上昇し、かつ温度の上昇に対して低下する電圧を出力する第2の出力を有する電圧源と、
前記第1及び第2の出力を入力とし、前記第2の出力の出力電圧が上昇した場合には低下し、前記第2の出力の出力電圧が低下した場合には上昇する電圧を出力する変換回路を有することを特徴とする半導体記憶装置の昇圧回路。 - 請求項2記載の半導体記憶装置の昇圧回路において、
前記変換回路は、電源とグランド間に直列に接続された、前記第1のMOSトランジスタよりもしきい値の低い第2及び第3のMOSトランジスタより成り、電源に接続された第2のMOSトランジスタのゲートには、前記電圧源の前記第1の出力が接続され、グランドに接続された第3のMOSトランジスタのゲートには、前記電圧源の前記第2の出力が接続されたことを特徴とする半導体記憶装置の昇圧回路。
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