JP3830414B2 - Semiconductor device having a booster circuit - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低電圧電源から高い電圧を得るための昇圧回路を備えた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、EEPROMやフラッシュメモリなどの半導体装置(以下、IC)の単一低電圧電源化に伴って、例えば記憶内容の書き込みや消去動作に必要な電圧をそのICの内部で得るように、電源電圧の昇圧が行われるようになってきている。このために、チャージポンプ回路などの昇圧回路がICに備えられる。
【0003】
このチャージポンプ回路は、例えば、ダイオード接続形式のMOS型電界効果トランジスタ(以下、MOSトランジスタ)を複数個直列接続し、そのMOSトランジスタに一方の蓄積電極がそれぞれ接続された複数のキャパシタを有している。そして、直列接続された基端側のMOSトランジスタに2〜3Vのような電源電圧を印加するとともに、キャパシタの他方の蓄積電極に位相のずれたクロック信号を順次与えることによって、キャパシタを順次充電して、終端側のMOSトランジスタから10〜15V等の昇圧された高電圧を得るように構成されている。
【0004】
このキャパシタの誘電体として作用する絶縁体膜厚は、通常チャージポンプ回路の昇圧電圧に耐えられるように一種類で比較的厚く形成されることが多い。この場合、キャパシタの静電容量は、絶縁体膜厚が厚くなれば小さくなるから、必要な静電容量を得るために大きな面積を必要とすることになる。
【0005】
そこで、特開平5−28786号公報では、キャパシタの必要な面積を少なくして、チャージポンプ回路の専有面積を低減する方法として、チャージポンプ回路の基端側に位置する低電圧用キャパシタの絶縁体膜厚を薄くし、終端側に位置するキャパシタの絶縁体膜厚を昇圧電圧に見合って厚くすることが提案されており、キャパシタの絶縁体膜厚を電圧の低い基端側で薄くしているから、その分だけのチップ専有面積を低減することはできるようになっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この昇圧回路においては、電圧の高い終端側では相対的に絶縁体膜厚の厚いキャパシタを用いているから、終端側のキャパシタでのチップ専有面積の低減は期待することができないだけでなく、むしろキャパシタ面積の増大を招く恐れさえもあった。
【0007】
このような問題点に鑑みて、本発明は、チャージポンプ回路の終端側に位置するキャパシタとして、その基端側に位置するキャパシタと異なる構造のキャパシタを用いることにより、チャージポンプ回路の基端側に位置するキャパシタのみでなく、終端側のキャパシタのチップ専有面積も低減して、チャージポンプ回路全体のチップ専有面積を低減することができるように構成した昇圧回路を備えた半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1の昇圧回路を備えた半導体装置は、入力端側と出力端側をもつMOSトランジスタとこのMOSトランジスタの入力端側或いは出力端側に一端が接続され他端にクロックが供給されるキャパシタとを有するチャージポンプユニットが、複数直列に接続され、電源電圧を昇圧した出力電圧が出力されるチャージポンプ手段と、前記クロックを発生するクロック発生手段とを有する昇圧回路を備えた半導体装置において、前記電源電圧が入力される基端側の1つまたは複数のチャージポンプユニットのキャパシタとして、MOSキャパシタを用いるとともに、前記出力電圧が出力される終端側の1つまたは複数のチャージポンプユニットのキャパシタとして、半導体基板上あるいはウエル上に形成された第1導電体膜と、この第1導電体膜上に形成された高誘電率膜と、この高誘電率膜上に形成された第2導電体膜とを有するキャパシタを用いることを特徴とする。
【0009】
本発明の昇圧回路を備えた半導体装置によれば、複数直列に接続されるチャージポンプユニットのキャパシタとして、低電圧の基端側にはMOSキャパシタを用い、高電圧の終端側には、高誘電率膜をもつキャパシタを用いる。したがって、基端側に位置するキャパシタ及び終端側のキャパシタのチップ専有面積を従来に比べてそれぞれ低減して、チャージポンプ回路全体のチップ専有面積を低減することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の昇圧回路を備えた半導体装置の実施の形態について、図1〜図4を参照して説明する。
【0011】
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る、昇圧回路を備えた半導体装置の回路構成を示す図である。図2は、低電圧側のチャージポンプユニット(以下、ユニットと称することがある)のキャパシタとして用いるMOSキャパシタを模式的に示す図である。図3は、高電圧側のユニットのキャパシタとして用いるフローティング型キャパシタを模式的に示す図であり、図4はその1例の一部を模式的に示す図である。
【0012】
図1において、各チャージポンプユニットはN型MOSトランジスタとキャパシタから構成されている。初段のユニットはトランジスタQ1とコンデンサC1とから構成され、以下同様に第2段ユニットはトランジスタQ2とコンデンサC2とから構成され、最終段ユニットはトランジスタQnとコンデンサCnとから構成される。
【0013】
初段ユニットについてみると、トランジスタQ1のソースSは、電源電圧Vccが供給されるとともに、ゲートGに接続されており、いわゆるダイオード接続とされている。また、そのドレインDは次段ユニットのトランジスタQ2のソースSに接続されており、その基板はもっとも低い電位点、この例ではグランド電位に接続されている。また、キャパシタC1は一端がトランジスタQ1のソースSに接続され、他端がクロックライン(この場合は、第1クロックCLK1のクロックライン)に接続される。
【0014】
なお、各ユニットのキャパシタC1〜Cnの他端は、奇数番のユニットでは第1クロックCLK1のクロックラインに接続され、偶数番のユニットでは第2クロックCLK2のクロックラインに接続される。
【0015】
このユニットの段数nは、主に電源電圧Vcc(例えば、3V)と最終段から出力される第2出力電圧Vout2(例えば、12V)により決定される。
【0016】
スイッチSWは、動作信号ON・停止信号OFFに応じてこの昇圧回路の動作・停止を制御するもので、オン或いはオフされるN型MOSトランジスタQ0を有している。
【0017】
初段ユニットQ1、C1からk段ユニットQk、Ckまでのユニットが低電圧側ユニット群LVUを構成し、(k+1)段ユニットQ(k+1)、C(k+1)から最終段ユニットQn、Cnまでのユニットが高電圧側ユニット群HVUを構成している。
【0018】
低電圧側ユニット群LVUの出力側にレギュレータRegを設け、第1出力電圧Vout1を出力する。この第1出力電圧Vout1は、電源電圧Vccより高く、第2出力電圧Vout2より低い所要の電圧(例えば、6V)であり、複数の昇圧された電圧を必要とするフラッシュメモリなどの仕様に応じて任意に決定できる。このレギュレータRegは、逆流防止用ダイオードDと電流制限用抵抗Rと平滑用キャパシタCo1が図のように直列に接続されて構成されている。
【0019】
クロック発生回路CGは、この昇圧回路の動作信号ON・停止信号OFFに応じて、クロック信号CLK1、CLK2の発振・停止を制御する。第1クロックCLK1及び第2クロックCLK2は、例えば、電源電圧Vccと同じ振幅電圧で所定の周波数を持ち、ほぼ逆位相の状態で変化する二相クロックである。
【0020】
この図1の昇圧回路においては、動作信号ONを受けてスイッチSWがオンするとともに、クロック発生回路CGが発振を開始し、第1クロックCLK1、第2クロックCLK2が、逆位相の状態で変化を開始する。
【0021】
この第1クロックCLK1、第2クロックCLK2の発振動作開始に応じて、各ユニットが同時にチャージポンプ動作を開始し、電源電圧Vccが各ユニット毎に順次チャージアップされ、昇圧された第1出力電圧Vout1、第2出力電圧Vout2が出力される。これらの出力電圧1Vout1、Vout2が、フラッシュメモリなどの所定の端子に供給される。
【0022】
図2は、図1の低電圧側ユニット群LVUのキャパシタC1〜Ckとして用いられるMOSキャパシタを模式的に示す図であり、同図(a)はその断面構造を、同図(b)は接続構成を示している。
【0023】
図2(a)において、P型基板Psub中にN型ウエルNwellを形成し、その中にMOSトランジスタのソース領域及びドレイン領域に対応するN型の高濃度領域n+をそれぞれ形成する。このN型ウエルNwellの上側を覆うようにゲート絶縁膜22が形成される。このゲート絶縁膜22は、二酸化シリコン膜(以下、酸化膜あるいはSiO2膜、と称する)であり、その厚さは低電圧(少なくとも第1出力電圧Vout1)に耐えられる程度の薄いものでよい。
【0024】
MOSトランジスタのゲート電極に対応する導電体膜21が、高濃度領域n+の間のゲート絶縁膜22の上に形成されており、第1の蓄積電極となる。この第1の蓄積電極が端子Gに引き出されている。この導電体膜21は、N型またはP型半導体に不純物をドープして形成されている多結晶シリコン膜(即ち、ポリシリコン膜;polySi)により形成されている。
【0025】
また、高濃度領域n+が、第2の蓄積電極となり、それぞれコンタクトを介して端子S、Dとして引き出されている。なお、24及び25は、LOCOSと呼ばれる素子分離用の酸化膜である。
【0026】
このMOSキャパシタは、図2(b)のように、端子(即ち、電極;以下同様)Gが第1の蓄積電極の端子T1となり、端子S、Dが互いに接続されて第2の蓄積電極の端子T2となる。この端子T1が低電圧側ユニット群LVUの各トランジスタQ1〜Qkのソースに接続され、端子T2が第1クロックCLK1のクロックラインまたは第2クロックCLK2のクロックラインに接続される。
【0027】
このMOSキャパシタのゲート絶縁膜22は、低電圧(少なくとも第1出力電圧Vout1程度)に耐えられる程度の薄い酸化膜であるから、単位面積当たりの静電容量も大きくなる。したがって、低電圧側ユニット群LVUのキャパシタとして、占有面積を大きくすることなく用いることができる。また、通常の、即ち低電圧回路部に用いられるMOSトランジスタのゲート酸化膜厚と同時に形成することができる。
【0028】
図3は、図1の高電圧側ユニット群HVUのキャパシタCk+1〜Cnに用いられるキャパシタを模式的に示す図であり、同図(a)はその断面構造を、同図(b)は接続構成を示している。これらキャパシタCk+1〜Cnは高電圧に耐える構造とする必要があるため、従来のようにMOSキャパシタ構成としたのではゲート絶縁膜(酸化膜)を厚くする必要があるから、必要な静電容量を得るために大きな面積を要することになる。本発明では、高電圧用のキャパシタの構造を、低電圧用のMOSキャパシタとは別の構造にして、必要な占有面積を小さくする。
【0029】
図3(a)において、P型基板Psub上に酸化膜34を形成し、この酸化膜34の上に第1ポリシリコン膜31を形成する。この第1ポリシリコン膜31の上に、後で詳述するような高誘電率をもつ材料から構成される高誘電率膜32を形成する。さらに、高誘電率膜32の上に第2ポリシリコン膜33を形成する。第1ポリシリコン膜31が第1蓄積電極となり、第2ポリシリコン膜33が第2蓄積電極となり、それぞれ端子T1、T2が引き出される。この状態が図3(b)に示されている。
【0030】
酸化膜34は、第1ポリシリコン膜31をP型基板Psubから電気的に分離する絶縁膜である。この酸化膜34を、素子分離用の酸化膜(即ち、LOCOS)とすることができる。この場合には、他の素子のためのLOCOS、例えば図2のMOSキャパシタのLOCOS24、25をそのまま利用することができる。この図3の構造のキャパシタを、本明細書ではフローティング型キャパシタと称する。
【0031】
図3では、第1ポリシリコン膜31の図中右側端部を除くように、高誘電率膜32及び第2ポリシリコン膜33を形成し、第1ポリシリコン膜31のその右側端部から第1電極T1を引き出すようにし、また第2ポリシリコン膜33の図中中央より左側から第1電極T2を引き出すようにしている。この電極T1、T2の引出方法としてはこれに限らず、例えば、第1ポリシリコン膜31の図中両側端部を除くように、高誘電率膜32及び第2ポリシリコン膜33を形成し、第1ポリシリコン膜31のその両側端部から第1電極T1を引き出すようにし、また第2ポリシリコン膜33の中央部から第1電極T2を引き出すようにしてもよい。このようにすれば、キャパシタの寄生抵抗を低減することができ、より特性の向上を図ることができる。
【0032】
ここで高誘電率膜32は、誘電率がSiO2より高く、所要の絶縁耐力を有する材料が選択される。その材料としては、誘電率と絶縁耐力との関係から単位面積当たりの静電容量が、低電圧側ユニット群LVUのMOSキャパシタC1〜Ckよりも大きくとれるものが選択される。例えば、窒化膜や、Ta25膜(酸化タンタル膜)、TiO2膜(酸化チタン膜)などが、好適に使用可能である。
【0033】
図4は、図3における高誘電率膜の1つの実施例を示す図であり、その一部を模式的に示している。
【0034】
図4において、第1ポリシリコン膜31上に、酸化膜32−1を形成し、この酸化膜32−1の表面を例えばNH3(アンモニア)を用いて窒化して窒化膜(あるいは窒化酸化膜)32−2を形成し、さらにその上に酸化膜32−3形成し、そしてその上に第2ポリシリコン膜33を形成する。このように、酸化膜32−1、32−3の間に窒化膜32−2を設けて、高誘電体膜32を三層構造とする。この酸化膜−窒化膜−酸化膜の三層構造を、略称として、ONO膜と称することができる。
【0035】
高誘電体膜32として、このONO膜を用いることにより、高耐圧で大きい静電容量をもつフローティング型キャパシタの製造が容易になる。
【0036】
この図3、図4のフローティング型キャパシタでは、さらに、第1、第2の蓄積電極として、拡散層の抵抗値に比べて抵抗値がより低い第1ポリシリコン膜31、第2ポリシリコン膜33を用いているから、キャパシタの抵抗値が小さくなり、キャパシタの充放電に伴う損失を低減できるとともに、充放電の時定数を短くすることができる。
【0037】
以上のように、フローティング型キャパシタの第1導電体膜(第1電極)及び第2導電体膜(第2電極)は、N型またはP型半導体に不純物をドープして形成されている多結晶シリコン膜(即ち、ポリシリコン膜;polySi)である。これにより、ポリシリコン膜の抵抗値は拡散層の抵抗値に比べて低いので、キャパシタの内部寄生抵抗値を下げることができる。したがって、キャパシタの充放電に伴う損失を低減できるとともに、充放電の時定数を短くすることができる。更に、第1導電体膜(第1電極)や第2導電体膜(第2電極)として、Al(アルミニューム)を用いるようにすればキャパシタの内部寄生抵抗値をさらに低減でき、好ましい。
【0038】
また、フローティング型キャパシタの高誘電率膜は、酸化膜−窒化膜−酸化膜の3層構造を有する。これによれば、高誘電率の膜を安定して作り込むことができる。
【0039】
また、図1に示すように、チャージポンプユニットが複数直列に接続されたチャージポンプ手段の所要の箇所に、平滑用キャパシタと逆流防止用ダイオードを含むレギュレータを接続すれば、終端からの高電圧の出力電圧とともに、所要の中間電圧を他の出力電圧として出力することができる。したがって、複数の昇圧された電圧を必要とする装置、例えばフラッシュメモリなどのICに好適に用いることができる。
【0040】
【発明の効果】
請求項1記載の昇圧回路を備えた半導体装置によれば、複数直列に接続されチャージポンプユニットのキャパシタとして、低電圧の基端側にはMOSキャパシタを用い、高電圧の終端側には、高誘電率膜をもつキャパシタを用いるから、基端側に位置するキャパシタ及び終端側のキャパシタのチップ専有面積をそれぞれ低減して、チャージポンプ回路全体のチップ専有面積を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る昇圧回路を備えた半導体装置の回路構成を示す図。
【図2】低電圧側のチャージポンプユニットのキャパシタとして用いるMOSキャパシタを模式的に示す図。
【図3】高電圧側のユニットのキャパシタとして用いるフローティング型キャパシタを模式的に示す図。
【図4】図3のキャパシタの1例の一部を模式的に示す図。
【符号の説明】
LUV 低電圧側ユニット群
HVU 高電圧側ユニット群
Q0〜Qn MOSトランジスタ
C1〜Cn キャパシタ
SW スイッチ
Reg レギュレータ
D ダイオード
R 抵抗
Co1、Co2 平滑用キャパシタ
CG クロック発生回路
Vout1 第1出力電圧
Vout2 第2出力電圧
CLK1 第1クロック
CLK2 第2クロック
21 ポリシリコン膜
22 ゲート絶縁膜(酸化膜)
Nwell N型ウエル
Psub P型基板
31 第1ポリシリコン膜
32 高誘電率膜
32−1、32−3 酸化膜
32−2 窒化膜
33 第2ポリシリコン膜
24、25、34 素子分離用酸化膜(LOCOS)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device including a booster circuit for obtaining a high voltage from a low voltage power supply.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a semiconductor device (hereinafter referred to as an IC) such as an EEPROM or a flash memory becomes a single low-voltage power supply, for example, a power supply is used so that a voltage necessary for writing or erasing stored contents is obtained inside the IC. The voltage is being boosted. For this purpose, a booster circuit such as a charge pump circuit is provided in the IC.
[0003]
This charge pump circuit includes, for example, a plurality of diode-connected MOS field effect transistors (hereinafter referred to as MOS transistors) connected in series, and a plurality of capacitors each having one storage electrode connected to the MOS transistor. Yes. Then, a power supply voltage such as 2 to 3 V is applied to the base-side MOS transistors connected in series, and the capacitors are sequentially charged by sequentially supplying a clock signal having a phase shift to the other storage electrode of the capacitor. Thus, a boosted high voltage such as 10 to 15 V is obtained from the termination-side MOS transistor.
[0004]
Insulator film thickness acting as a dielectric of this capacitor is usually formed of one kind and relatively thick so as to withstand the boosted voltage of the charge pump circuit. In this case, since the capacitance of the capacitor decreases as the insulator film thickness increases, a large area is required to obtain the required capacitance.
[0005]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-28786 discloses an insulator for a low-voltage capacitor located on the base end side of a charge pump circuit as a method for reducing the necessary area of the capacitor and reducing the area occupied by the charge pump circuit. It has been proposed to reduce the film thickness and increase the thickness of the capacitor located on the terminal side in accordance with the boost voltage. The thickness of the capacitor insulator is reduced on the base side where the voltage is low. Therefore, it is possible to reduce the area occupied by the chip by that amount.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this booster circuit, a capacitor with a relatively thick insulator is used on the terminal side where the voltage is high, so not only a reduction in the area occupied by the chip in the capacitor on the terminal side can be expected. Rather, there was even a risk of increasing the capacitor area.
[0007]
In view of such a problem, the present invention uses a capacitor having a structure different from that of the capacitor located on the base end side as the capacitor located on the terminal end side of the charge pump circuit. Provided is a semiconductor device including a booster circuit configured to reduce not only the capacitor located in the chip but also the chip-occupying area of the terminal-side capacitor so that the chip-occupying area of the entire charge pump circuit can be reduced. With the goal.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device having a booster circuit according to a first aspect of the present invention is a MOS transistor having an input end side and an output end side, one end connected to the input end side or the output end side of the MOS transistor, and a clock supplied to the other end. A plurality of charge pump units each having a capacitor to be connected in series, a charge pump means for outputting an output voltage obtained by boosting a power supply voltage, and a semiconductor including a boost circuit having a clock generation means for generating the clock In the apparatus, a MOS capacitor is used as a capacitor of one or more charge pump units on the base end side to which the power supply voltage is input, and one or more charge pump units on the terminal end side from which the output voltage is output A first conductor film formed on the semiconductor substrate or on the well as the capacitor; A high dielectric constant film formed conductive film, characterized by using a capacitor and a second conductive film formed on the high dielectric constant film.
[0009]
According to the semiconductor device having the booster circuit of the present invention, a MOS capacitor is used on the low voltage base side and a high dielectric is used on the high voltage terminal side as the capacitors of the charge pump units connected in series. A capacitor with a rate film is used. Therefore, it is possible to reduce the chip-occupied area of the capacitor located on the base end side and the capacitor on the terminal end side as compared with the conventional case, and to reduce the chip-occupied area of the entire charge pump circuit.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device including a booster circuit according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0011]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor device including a booster circuit according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram schematically showing a MOS capacitor used as a capacitor of a charge pump unit (hereinafter sometimes referred to as a unit) on the low voltage side. FIG. 3 is a diagram schematically showing a floating type capacitor used as a capacitor of a unit on the high voltage side, and FIG. 4 is a diagram schematically showing a part of one example.
[0012]
In FIG. 1, each charge pump unit is composed of an N-type MOS transistor and a capacitor. The first-stage unit is composed of a transistor Q1 and a capacitor C1, the second-stage unit is composed of a transistor Q2 and a capacitor C2, and the final-stage unit is composed of a transistor Qn and a capacitor Cn.
[0013]
As for the first stage unit, the source S of the transistor Q1 is supplied with the power supply voltage Vcc and is connected to the gate G, which is a so-called diode connection. The drain D is connected to the source S of the transistor Q2 of the next stage unit, and the substrate is connected to the lowest potential point, in this example, the ground potential. The capacitor C1 has one end connected to the source S of the transistor Q1, and the other end connected to a clock line (in this case, the clock line of the first clock CLK1).
[0014]
The other ends of the capacitors C1 to Cn of each unit are connected to the clock line of the first clock CLK1 in the odd-numbered unit, and are connected to the clock line of the second clock CLK2 in the even-numbered unit.
[0015]
The number of stages n of this unit is mainly determined by the power supply voltage Vcc (for example, 3V) and the second output voltage Vout2 (for example, 12V) output from the final stage.
[0016]
The switch SW controls the operation / stop of the booster circuit in response to the operation signal ON / stop signal OFF, and has an N-type MOS transistor Q0 that is turned on or off.
[0017]
The units from the first stage units Q1, C1 to the k stage units Qk, Ck constitute the low voltage side unit group LVU, and the units from the (k + 1) stage unit Q (k + 1), C (k + 1) to the last stage units Qn, Cn Constitutes the high voltage side unit group HVU.
[0018]
A regulator Reg is provided on the output side of the low voltage side unit group LVU to output the first output voltage Vout1. The first output voltage Vout1 is a required voltage (for example, 6 V) that is higher than the power supply voltage Vcc and lower than the second output voltage Vout2, and depends on the specifications of a flash memory that requires a plurality of boosted voltages. It can be decided arbitrarily. The regulator Reg is configured by connecting a backflow prevention diode D, a current limiting resistor R, and a smoothing capacitor Co1 in series as shown in the figure.
[0019]
The clock generation circuit CG controls oscillation and stop of the clock signals CLK1 and CLK2 in accordance with the operation signal ON / stop signal OFF of the booster circuit. The first clock CLK1 and the second clock CLK2 are, for example, two-phase clocks having the same amplitude voltage as the power supply voltage Vcc, a predetermined frequency, and changing in an almost opposite phase state.
[0020]
In the booster circuit of FIG. 1, the switch SW is turned on in response to the operation signal ON, the clock generation circuit CG starts oscillating, and the first clock CLK1 and the second clock CLK2 change in an opposite phase state. Start.
[0021]
In response to the start of the oscillating operation of the first clock CLK1 and the second clock CLK2, the units simultaneously start the charge pump operation, and the power supply voltage Vcc is sequentially charged up for each unit, and the boosted first output voltage Vout1. The second output voltage Vout2 is output. These output voltages 1Vout1 and Vout2 are supplied to predetermined terminals such as a flash memory.
[0022]
FIG. 2 is a diagram schematically showing MOS capacitors used as the capacitors C1 to Ck of the low voltage side unit group LVU of FIG. 1, in which FIG. 2 (a) shows a sectional structure thereof, and FIG. 2 (b) shows a connection. The configuration is shown.
[0023]
In FIG. 2A, an N-type well Nwell is formed in a P-type substrate Psub, and an N-type high concentration region n + corresponding to the source region and drain region of the MOS transistor is formed therein. A gate insulating film 22 is formed so as to cover the upper side of the N-type well Nwell. The gate insulating film 22 is a silicon dioxide film (hereinafter referred to as an oxide film or a SiO2 film), and may be thin enough to withstand a low voltage (at least the first output voltage Vout1).
[0024]
A conductor film 21 corresponding to the gate electrode of the MOS transistor is formed on the gate insulating film 22 between the high-concentration regions n + and serves as a first storage electrode. The first storage electrode is drawn out to the terminal G. The conductor film 21 is formed of a polycrystalline silicon film (that is, a polysilicon film; polySi) formed by doping an N-type or P-type semiconductor with an impurity.
[0025]
Further, the high concentration region n + becomes the second storage electrode, and is drawn out as the terminals S and D through the contacts, respectively. Reference numerals 24 and 25 denote element isolation oxide films called LOCOS.
[0026]
In this MOS capacitor, as shown in FIG. 2B, the terminal (ie, electrode; hereinafter the same) G becomes the terminal T1 of the first storage electrode, and the terminals S and D are connected to each other to connect the second storage electrode. Terminal T2. The terminal T1 is connected to the sources of the transistors Q1 to Qk of the low voltage side unit group LVU, and the terminal T2 is connected to the clock line of the first clock CLK1 or the clock line of the second clock CLK2.
[0027]
Since the gate insulating film 22 of this MOS capacitor is a thin oxide film that can withstand a low voltage (at least about the first output voltage Vout1), the capacitance per unit area also increases. Therefore, it can be used as a capacitor of the low voltage side unit group LVU without increasing the occupied area. Further, it can be formed at the same time as the gate oxide film thickness of a MOS transistor used in a normal, ie, low voltage circuit portion.
[0028]
FIG. 3 is a diagram schematically showing capacitors used for the capacitors Ck + 1 to Cn of the high voltage side unit group HVU of FIG. 1. FIG. 3 (a) shows a sectional structure thereof, and FIG. 3 (b) shows a connection configuration. Is shown. Since these capacitors Ck + 1 to Cn need to have a structure capable of withstanding a high voltage, the MOS capacitor configuration as in the prior art requires a thick gate insulating film (oxide film). It takes a large area to obtain. In the present invention, the structure of the high voltage capacitor is made different from that of the low voltage MOS capacitor to reduce the necessary occupied area.
[0029]
In FIG. 3A, an oxide film 34 is formed on a P-type substrate Psub, and a first polysilicon film 31 is formed on the oxide film 34. A high dielectric constant film 32 made of a material having a high dielectric constant as will be described in detail later is formed on the first polysilicon film 31. Further, a second polysilicon film 33 is formed on the high dielectric constant film 32. The first polysilicon film 31 becomes the first storage electrode, the second polysilicon film 33 becomes the second storage electrode, and the terminals T1 and T2 are drawn out, respectively. This state is shown in FIG.
[0030]
The oxide film 34 is an insulating film that electrically isolates the first polysilicon film 31 from the P-type substrate Psub. The oxide film 34 can be an oxide film for element isolation (that is, LOCOS). In this case, the LOCOS for other elements, for example, the LOCOSs 24 and 25 of the MOS capacitor of FIG. 2 can be used as they are. The capacitor having the structure of FIG. 3 is referred to as a floating capacitor in this specification.
[0031]
In FIG. 3, the high dielectric constant film 32 and the second polysilicon film 33 are formed so as to exclude the right end portion of the first polysilicon film 31 in the drawing, and the first polysilicon film 31 is formed from the right end portion thereof. One electrode T1 is drawn out, and the first electrode T2 is drawn out from the left side of the center of the second polysilicon film 33 in the drawing. The extraction method of the electrodes T1 and T2 is not limited to this. For example, the high dielectric constant film 32 and the second polysilicon film 33 are formed so as to exclude both end portions of the first polysilicon film 31 in the drawing, The first electrode T <b> 1 may be drawn out from both end portions of the first polysilicon film 31, and the first electrode T <b> 2 may be drawn out from the center portion of the second polysilicon film 33. In this way, the parasitic resistance of the capacitor can be reduced, and the characteristics can be further improved.
[0032]
Here, for the high dielectric constant film 32, a material having a dielectric constant higher than that of SiO2 and having a required dielectric strength is selected. As the material, a material whose capacitance per unit area is larger than the MOS capacitors C1 to Ck of the low-voltage unit group LVU is selected from the relationship between the dielectric constant and the dielectric strength. For example, a nitride film, a Ta 2 O 5 film (tantalum oxide film), a TiO 2 film (titanium oxide film), or the like can be suitably used.
[0033]
FIG. 4 is a view showing one embodiment of the high dielectric constant film in FIG. 3, and a part thereof is schematically shown.
[0034]
In FIG. 4, an oxide film 32-1 is formed on the first polysilicon film 31, and the surface of the oxide film 32-1 is nitrided using, for example, NH 3 (ammonia) to form a nitride film (or a nitrided oxide film). 32-2 is formed, an oxide film 32-3 is further formed thereon, and a second polysilicon film 33 is formed thereon. Thus, the nitride film 32-2 is provided between the oxide films 32-1 and 32-3, and the high dielectric film 32 has a three-layer structure. This three-layer structure of oxide film-nitride film-oxide film can be referred to as an ONO film as an abbreviation.
[0035]
By using this ONO film as the high dielectric film 32, it becomes easy to manufacture a floating capacitor having a high breakdown voltage and a large capacitance.
[0036]
In the floating type capacitors shown in FIGS. 3 and 4, the first and second polysilicon electrodes 31 and 33 have lower resistance values than the resistance values of the diffusion layers. Therefore, the resistance value of the capacitor is reduced, the loss accompanying charging / discharging of the capacitor can be reduced, and the time constant of charging / discharging can be shortened.
[0037]
As described above, the first conductor film (first electrode) and the second conductor film (second electrode) of the floating type capacitor are formed by doping impurities into an N-type or P-type semiconductor. It is a silicon film (that is, a polysilicon film; polySi). Thereby, since the resistance value of the polysilicon film is lower than the resistance value of the diffusion layer, the internal parasitic resistance value of the capacitor can be lowered. Therefore, the loss accompanying charging / discharging of the capacitor can be reduced, and the time constant of charging / discharging can be shortened. Furthermore, it is preferable to use Al (aluminum) as the first conductor film (first electrode) and the second conductor film (second electrode), since the internal parasitic resistance value of the capacitor can be further reduced.
[0038]
The high dielectric constant film of the floating capacitor has a three-layer structure of oxide film-nitride film-oxide film. According to this, a high dielectric constant film can be stably formed.
[0039]
In addition, as shown in FIG. 1, if a regulator including a smoothing capacitor and a backflow prevention diode is connected to a required portion of a charge pump unit in which a plurality of charge pump units are connected in series, a high voltage from the termination is generated. A required intermediate voltage can be output as another output voltage together with the output voltage. Therefore, it can be suitably used for a device that requires a plurality of boosted voltages, for example, an IC such as a flash memory.
[0040]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device including the booster circuit according to claim 1, a MOS capacitor is used on the base end side of the low voltage as a capacitor of the charge pump unit connected in series. Since a capacitor having a dielectric constant film is used, the chip-occupied area of the entire charge pump circuit can be reduced by reducing the chip-occupying area of the capacitor located on the base end side and the capacitor on the terminal end side.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a semiconductor device including a booster circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a MOS capacitor used as a capacitor of a charge pump unit on a low voltage side.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a floating capacitor used as a capacitor of a unit on a high voltage side.
4 is a diagram schematically showing a part of one example of the capacitor of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
LUV Low voltage side unit group HVU High voltage side unit group Q0 to Qn MOS transistors C1 to Cn Capacitor SW Switch Reg Regulator D Diode R Resistance Co1, Co2 Smoothing capacitor CG Clock generation circuit Vout1 First output voltage Vout2 Second output voltage CLK1 First clock CLK2 Second clock 21 Polysilicon film 22 Gate insulating film (oxide film)
Nwell N-type well Psub P-type substrate 31 First polysilicon film 32 High dielectric constant film 32-1, 32-3 Oxide film 32-2 Nitride film 33 Second polysilicon films 24, 25, 34 Oxide film for element isolation ( LOCOS)

Claims (1)

入力端側と出力端側をもつMOSトランジスタとこのMOSトランジスタの入力端側或いは出力端側に一端が接続され他端にクロックが供給されるキャパシタとを有するチャージポンプユニットが、複数直列に接続され、電源電圧を昇圧した出力電圧が出力されるチャージポンプ手段と、
前記クロックを発生するクロック発生手段とを有する昇圧回路を備えた半導体装置において、
前記電源電圧が入力される基端側の1つまたは複数のチャージポンプユニットのキャパシタとして、MOSキャパシタを用いるとともに、
前記出力電圧が出力される終端側の1つまたは複数のチャージポンプユニットのキャパシタとして、半導体基板上あるいはウエル上に形成された第1導電体膜と、この第1導電体膜上に形成された高誘電率膜と、この高誘電率膜上に形成された第2導電体膜とを有するキャパシタを用いることを特徴とする昇圧回路を備えた半導体装置。
A plurality of charge pump units having a MOS transistor having an input end side and an output end side and a capacitor having one end connected to the input end side or the output end side of the MOS transistor and a clock supplied to the other end are connected in series. Charge pump means for outputting an output voltage obtained by boosting the power supply voltage; and
In a semiconductor device comprising a booster circuit having a clock generating means for generating the clock,
As a capacitor of one or more charge pump units on the base end side to which the power supply voltage is input, a MOS capacitor is used,
As a capacitor of one or more charge pump units on the termination side from which the output voltage is output, a first conductor film formed on a semiconductor substrate or on a well, and formed on the first conductor film A semiconductor device comprising a booster circuit, wherein a capacitor having a high dielectric constant film and a second conductor film formed on the high dielectric constant film is used.
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