JP4079644B2

JP4079644B2 - チャージポンプ装置

Info

Publication number: JP4079644B2
Application number: JP2002017323A
Authority: JP
Inventors: 彰植本; 隆夫名野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-01-25
Also published as: JP2002315323A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源回路等に用いられる大電流出力のチャージポンプ半導体装置に関し、特にラッチアップの発生を防止することにより、安定した動作を可能としたチャージポンプ半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のビデオカメラ、デジタルスチールカメラ（DSC）、DSCフォーン等の映像機器は、その映像を取り込むためにCCD（Charge Coupled Devices）を使用している。CCDを駆動するためのCCD駆動回路は、プラス、マイナスの高電圧（十数V）で且つ大電流（数mA）の電源回路を必要とする。現在、この高電圧はスイッチングレギュレータを用いて生成している。
【０００３】
スイッチングレギュレータは高性能、即ち高い電力効率（出力電力／入力電力）にて、高電圧を生成することができる。しかし、この回路は電流のスイッチング時に高調波ノイズを発生する欠点があり、電源回路をシールドして用いなければならない。更に外部部品としてコイルを必要とする。
【０００４】
そこで、上述したような携帯機器用の電源回路として、ディクソン（Dickson）チャージポンプ装置が注目されている。この回路は、例えば技術文献「John F.Dickson 徹n-chip High-Voltage Generation in MNOS Integrated Circuits Using an Improved Voltage Multiplier Technique IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,VOL.SC-11,NO.3 pp.374-378 JUNE 1976.」に詳しく記載されている。
【０００５】
図５に、４段のディクソン・チャージポンプ装置の回路図を示す。ダイオードＤ1〜Ｄ5が直列接続されている。Ｃ1〜Ｃ4は各ダイオードＤ1〜Ｄ5の接続点に接続された結合コンデンサ（Coupling Capacitor）、ＣＬは出力容量(Output Capacitor)、CLKとCLKBは互いに逆相の入力クロックパルスである。また、５１はCLK及びCLKBが入力されたクロックドライバー、５２は電流負荷である。クロックドライバー５１には電源電圧Ｖddが供給されている。これによりクロックドライバー５１から出力されるクロックパルスΦ1，Φ２の出力振幅は略Ｖddとなる。そして、クロックパルスΦ1は容量Ｃ２，Ｃ４に供給され、クロックパルスΦ２は容量Ｃ１，Ｃ３に供給される。
【０００６】
安定状態において、出力に定電流Ioutが流れる場合、チャージポンプ装置への入力電流は、入力電圧Ｖinからの電流とクロックドライバーから供給される電流となる。これらの電流は、寄生容量への充放電電流を無視すると次のようになる。Φ1=ハイ（High）、Φ２=ロウ（Low）の期間、図中の実線矢印の方向に２Ioutの平均電流が流れる。
【０００７】
また、Φ1=ロウ（Low）、Φ２= ハイ（High）の期間、図の破線矢印の方向に２Ioutの平均電流が流れる。クロックサイクルでのこれらの平均電流は全てIoutとなる。安定状態におけるチャージポンプ装置の昇圧電圧Voutは以下のように表わされる。
【０００８】
【数１】

【０００９】
ここで、V_φ’は各接続ノードにおいて、クロックパルスの変化に伴い結合容量によって生じる電圧振幅である。V_lは出力電流Ioutによって生じる電圧降下、Ｖinは入力電圧であり、通常プラス昇圧では電源電圧Ｖdd、マイナス昇圧では0Vとしている。Ｖｄは順方向バイアスダイオード電圧（Forward bias diode voltage）ｎはポンピング段数である。更に、V_l とV_φ’は次式で表される。
【００１０】
【数２】

【００１１】
【数３】

【００１２】
ここで、Ｃ1〜Ｃ4はクロック結合コンデンサ(clock coupling capacitor)、Ｃ_Sは各接続ノードにおける寄生容量(stray capacitor at each node)、V_φはクロックパルスの振幅（clock pulse amplitude）、ｆはクロックパルスの周波数、Ｔはクロック周期(clock period)である。チャージポンプ装置の電力効率は、クロックドライバーから寄生容量に流れる充放電電流を無視し、Ｖin＝Ｖddとすると以下の式で表される。
【００１３】
【数４】

【００１４】
このように、チャージポンプ装置においては、ダイオードを電荷転送素子(charge transfer device)として用いて電荷を次段へと次々に転送することにより昇圧を行っている。しかし、半導体集積回路装置への搭載を考えるとプロセスへの適合性からｐｎ接合のダイオードよりＭＯＳトランジスタを使用する方が実現しやすい。
【００１５】
そこで、電荷転送用素子としてダイオードの代わりにＭＯＳトランジスタを用いることが提案された。この場合は式（１）において、ＶｄはＭＯＳトランジスタの閾値電圧(threshold voltage)Ｖthとなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チャージポンプ装置を半導体集積回路装置へ組み込み、大電流でかつ安定した動作を実現するためのデバイス構造については十分な検討がなされていないのが現状である。特に、大出力電流のチャージポンプ装置においては、動作開始と共にラッチアップが生じるという問題があったが、そのメカニズムは解明されていなかった。
【００１７】
本発明は上述した従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは大電流で高効率のチャージポンプ装置を実現することである。また、従来大電流のチャージポンプ装置では回避できなかったラッチアップの発生を防止し、安定した動作を実現することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明のチャージポンプ装置は、基板上に互いに分離して形成された複数のウエル領域と、前記各ウエル領域内に個々に形成されると共に、互いに直列接続されてなる複数の電荷転送用トランジスタと、これらの電荷転送用トランジスタの各接続点に結合されたコンデンサと、を備えたチャージポンプ装置であって、前記電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成された前記ウエル領域とを電気的に接続した。
【００１９】
本発明の特徴構成によれば、電荷転送トランジスタが形成されたウエル領域は互い分離されており、電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成されたウエル領域とを電気的に接続されている。即ち、ゲート・基板間電圧Ｖgb＝ゲート・ドレイン間電圧Ｖgd、という関係が成り立つので、バックゲート・バイアス効果（Back Gate Bias Effect）による電荷転送用トランジスタの閾値電圧Ｖthの上昇が防止される。これにより、電荷転送トランジスタのオン抵抗が下がるので大出力電流のチャージポンプ装置を実現することができる。
【００２０】
また、電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成されたウエル領域とを電気的に接続するという上記特徴構成を実現するために、ウエル領域内に当該ウエル領域と同導電型の高濃度の拡散層が形成され、該拡散層と前記ドレイン層とを接続した。これにより、電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成されたウエル領域とは低抵抗で電気的に接続されるので、バックゲート・バイアス効果による電荷転送用トランジスタの閾値電圧Ｖthの上昇が確実に防止される。
【００２１】
こうして本願の特徴構成によれば大出力電流のチャージポンプ装置を実現することができるが、動作開始と共に擬似的なラッチアップが発生しやすいという問題があった。そこで、本願の他の特徴構成は、電荷転送トランジスタが形成された前記ウエル領域の間を、擬似的なラッチアップを誘引する寄生サイリスタ構造が形成されないように電気的に分離した。
【００２２】
その具体的な特徴構成は、前記電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成された前記第１導電型のウエル領域とを電気的に接続し、かつ前記電荷転送用トランジスタが形成された第１導電型の各ウエル領域を第２導電型のウエル領域で包含すると共に、隣接する前記第２導電型のウエル領域間を分離したことである。
【００２３】
即ち、各電荷転送用トランジスタは２重のウエル領域内（第１導電型ウエル領域及び第２のウエル領域）に形成され、隣接する前記第２導電型のウエル領域間が距離的に離間されることにより、寄生サイリスタ構造が形成されないようにしている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の等価回路図を示す。このチャージポンプ装置では、半導体プロセスへの適合性を考慮して、電荷転送用素子としてダイオードの代わりにＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５を使用している。即ち、電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５のゲートとドレインが接続されているのでダイオードとして機能する。他の構成については図５に示したチャージポンプ装置と同様である。
【００２５】
また、各電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５のドレインと基板とを接続している。即ち、ゲート・基板間電圧Ｖgb＝ゲート・ドレイン間電圧Ｖgd、という関係が成り立つので、バックゲート・バイアス効果（Back Gate Bias Effect）による電荷転送用トランジスタの閾値電圧Ｖthの上昇が防止される。上述した構成は、大出力電流のチャージポンプ装置を実現するために必須である。
【００２６】
なお、電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５のオン抵抗を更に下げるためには、トランジスタオン時のゲート・ソース間電圧Ｖgsを例えばクロックドライバーの電源電圧Ｖddよりも高くすることが効果的である。
【００２７】
図２に、本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の断面構造図を示す。この断面構造は、図１に示した電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ３の断面構造に対応している。Ｐ型半導体基板（例えばＰ型シリコン基板）１０の表面にＮ型ウエル領域２０が形成され、このＮ型ウエル領域２０の中に、分離されたＰ型ウエル領域３１，３２が形成されている。そして、Ｐ型ウエル領域３１内に電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２が形成されている。Ｐ型ウエル領域３２内に電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ３が形成されている。
【００２８】
Ｐ型ウエル領域３１内に形成された電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２について更に詳しく説明すると、Ｐ型ウエル領域３１の表面にＮ＋型のドレイン層Ｄ及びソース層Ｓが形成されている。Ｐ型ウエル領域３１内には、Ｐ型ウエル領域３１より高濃度のＰ＋層４１が形成されている。Ｐ＋層４１は平面的に見ると、Ｐ型ウエル領域３１を囲むように帯状に配置されていることが、Ｐウエル層３１との接触抵抗を下げる上で好ましい。そして、ドレイン層ＤとＰ＋層４１とはＡｌ配線等により電気的に接続されている。
【００２９】
電荷転送用トランジスタＭ２のドレイン層Ｄと電荷転送用トランジスタＭ２が形成されたＰ型ウエル領域３１とは低抵抗で電気的に接続されるので、バックゲート・バイアス効果に起因した電荷転送用トランジスタＭ２の閾値電圧Ｖthの上昇が確実に防止される。Ｐ型ウエル領域３２内に形成された電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ３についても同様に構成されている。また、図示していない電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１，Ｍ４，Ｍ５についても同様に構成されている。
【００３０】
また、Ｎ型ウエル領域２０は、Ｎ＋層を介して、チャージポンプ装置の昇圧された出力電圧Ｖoutを供給することにより、定常状態においてＮ型ウエル領域２０とＰ型ウエル領域３１，３２が逆方向バイスされるようにしている。
【００３１】
しかしながら、上述したように単一のＮ型ウエル領域２０内に複数のＰ型ウエル領域３１，３２…を形成すると、ラッチアップのような現象が発生し、出力電圧Ｖoutがほとんど昇圧されないことが判明した。その発生メカニズムは本発明者の推定によれば以下の通りである。
【００３２】
まず、隣接するＰ型ウエル領域３１，３２間に寄生サイリスタが形成される。即ち、図２中、縦型のＮＰＮトランジスタＴｒ１及び横型のＰＮＰトランジスタＴｒ２が形成される。ここで、縦型のＮＰＮトランジスタＴｒ１のエミッタは電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン層Ｄであり、ベースはＰ型ウエル領域３１であり、コレクタはＮ型ウエル領域２０である。
【００３３】
また、横型のＰＮＰトランジスタＴｒ２のエミッタはＰ型ウエル領域３２内に形成されたＰ＋層４２であり、ベースはＰ型ウエル領域３１，３２間のＮ型ウエル領域２０であり、コレクタはＰ型ウエル領域３１である。これらの寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１と寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２は寄生サイリスタを構成する。
【００３４】
上述した図１のチャージポンプ装置の安定動作時には以下の関係が成り立つ。出力電圧Ｖout＞Ｖ３＞Ｖ２＞Ｖ１＞入力電圧Ｖｉｎ
ここで、入力電圧Ｖｉｎは通常はＶdd（クロックドライバーの電源電圧と等しい）である。また、Ｖ３は電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ３のソース電圧、Ｖ２は電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２のソース電圧、Ｖ１は電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１のソース電圧である。
【００３５】
しかし、チャージポンプ装置の立ち上がり時（昇圧動作の開始時）には、
Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３＞Ｖout という関係になっている。すなわち、初段から順にコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４を充電していく。
【００３６】
その結果、Ｖ１−Ｖout＞Ｖbi となったとき寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２のベース・エミッタ間に電流が流れる。すなわち、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２がオンする。ここで、Ｖbiはベース・エミッタ間のオン電圧である。
【００３７】
この寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２のコレクタ電流は、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１のベース電流となるので、これにより寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１がオンし、そのエミッタ・コレクタ間が導通する。すると、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１は、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２のベース・エミッタ間電流を流し入れると共に、出力電圧Ｖout側からも電圧Ｖ１側へ電流を流し入れる。
【００３８】
その結果、出力電圧Ｖoutは上昇しない。上述したような寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１と寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２のとの協同的な動作は、ラッチアップに類似しているため、擬似的なラッチアップと呼ぶことにする。しかしながら、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ１と寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ２の動作は電源を一旦落として再投入すれば停止すると考えられるので、一般的なラッチアップとは相違すると考えられる。その意味で、本発明で言うところのラッチアップは上述したような擬似的なラッチアップである。
【００３９】
図３に、チャージポンプ装置の動作開始時のＶ１，Ｖ２の回路シミュレーションによる波形図を示す。ここで、Ｖ１は電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン電圧、Ｖ２は電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ３のドレイン電圧である。図において、Ｖdsはソースドレイン間電圧を示すが、これがＶb（＝約０．７Ｖ）より大きいとＮＰＮトランジスタＴｒ１がオンし、擬似的なラッチアップが誘引される。
【００４０】
そこで、図４に上述したメカニズムで発生するラッチアップを防止できるチャージポンプ装置の構造を示す。なお、図４において図２と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。Ｎ型ウエル領域２１，２２内にそれぞれＰ型ウエル領域３１、Ｐ型ウエル領域３２が形成されている。Ｎ型ウエル領域２１，２２は互いに分離して形成されている。そして、Ｐ型ウエル領域３１，３２内にそれぞれ電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２，Ｍ３が形成されている。ここでＰ型半導体基板１０は接地電圧（０Ｖ）または負の電圧にバイアスされているものとする。
【００４１】
これにより、電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２の形成領域には、図４に示すような寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ３及び寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ４が形成される。ここで、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ３のエミッタは、電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ２のドレイン層Ｄ、ベースはＰ型ウエル領域３１、コレクタは分離されたＮ型ウエル領域２１である。
【００４２】
また、寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ４のエミッタはＰ型ウエル領域３２内に形成されたＰ＋層４２、ベースは分離されたＮ型ウエル領域２２、コレクタはＰ型半導体基板１０である。
【００４３】
しかしながら、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ３と寄生ＰＮＰトランジスタＴｒ４とは電気的に分断されている。これは、Ｎ型ウエル領域２１，２２を分離して、その間に逆バイアスされたＰ型半導体基板１０が存在しているためである。したがって、図２に示したような寄生サイリスタは形成されず、寄生ＮＰＮトランジスタＴｒ３はオンしないと考えられる。
【００４４】
実際に本発明者の行った実験によれば、図４の構造ではラッチアップは発生せず、チャージポンプ装置は正常な昇圧動作を行うことが確認された。
【００４５】
また、上述したようにＮ型ウエル領域２１にはＮ＋層４３が形成されており、このＮ＋層４３にチャージポンプ装置の出力電圧Ｖoutが供給されることにより、Ｎ型ウエル領域２１とＰ型ウエル領域３１も常に逆方向にバイアスされる。同様にして、Ｎ型ウエル領域２２にはＮ＋層４４が形成されており、このＮ＋層４４にチャージポンプ装置の出力電圧Ｖoutが供給されることにより、Ｎ型ウエル領域２２とＰ型ウエル領域３２は逆方向にバイアスされる。
【００４６】
上述した実施形態では、本発明の４段のディクソン・チャージポンプ装置への適用例について説明したがその段数は４段に限定されないことは明らかである。
【００４７】
また、電荷転送用ＭＯＳトランジスタをＮチャネル型で形成したが、Ｐチャネル型で形成した場合でも、ウエル領域等の極性を反転させることにより同様に適用できる。マイナス昇圧のチャージポンプ装置では、電荷転送用ＭＯＳトランジスタにおける、基板とソースの接続関係が逆になり、また、クロックのタイミングが逆になるだけである。
【００４８】
さらに、電荷転送用トランジスタＭ１〜Ｍ５はゲートとドレインを共通接続した構成としたが、これに限定されず、電荷転送用ＭＯＳトランジスタＭ１〜Ｍ５がオンする時に、ゲート・ソース間に高い電圧が印加される回路構成を採用したチャージポンプ装置にも本発明は効果的に適用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成されたウエル領域とは低抵抗で電気的に接続されるので、バックゲート・バイアス効果による電荷転送用トランジスタの閾値電圧Ｖthの上昇が確実に防止される。これにより、大出力電流のチャージポンプ装置を実現することができる。
【００５０】
また、電荷転送トランジスタが形成された前記ウエル領域の間を、ラッチアップを誘引する寄生サイリスタ構造が形成されないように電気的に分離した。これにより、特に動作開始時の突入電流等により、ラッチアップが誘発されることがなくなるので、大出力電流のチャージポンプ装置を安定して動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の回路図である。
【図２】本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の断面構造図である。
【図３】本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の回路シミュレーションによる波形図である。
【図４】本発明の実施形態に係るチャージポンプ装置の断面構造図である。
【図５】４段のディクソン・チャージポンプ装置を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｃ１〜Ｃ４結合容量
ＣＬ出力容量
ＣＬＫ，ＣＬＫＢクロックパルス
ＤＮ＋型ドレイン層
Ｍ１〜Ｍ５電荷転送用ＭＯＳトランジスタ
ＳＮ＋型ソース層
１０Ｐ型半導体基板
２０〜２２Ｎ型ウエル領域
３１，３２Ｐ型ウエル領域
４１，４２Ｐ＋層
４３，４４Ｎ＋層
５１クロックドライバー
５２電流負荷

Claims

第１導電型の基板上に互いに分離して形成された複数の第１導電型のウエル領域と、前記各ウエル領域内に個々に形成されると共に、互いに直列接続されてなる複数の電荷転送用トランジスタと、これらの電荷転送用トランジスタの各接続点に結合されたコンデンサと、前記第１導電型の基板上に互いに分離して形成された複数の第２導電型のウエル領域と、を備え、
前記電荷転送用トランジスタのドレイン層と該電荷転送用トランジスタが形成された前記第１導電型のウエル領域とを電気的に接続し、
前記電荷転送用トランジスタが形成された第１導電型の各ウエル領域を前記第２導電型のウエル領域でそれぞれ包含すると共に、互いに隣接する前記第２導電型のウエル領域間を分離し、
さらに前記第１導電型の基板と前記複数の第２導電型のウエル領域とを逆方向にバイアスしたことを特徴とするチャージポンプ装置。
前記第２導電型のウエル領域に前記電荷転送トランジスタから出力される昇圧電圧を印加し、前記基板を接地電圧又は負の電圧にバイアスしたことを特徴とする請求項１に記載のチャージポンプ装置。
前記第１導電型のウエル領域内に当該第１導電型のウエル領域と同導電型の高濃度の拡散層が形成され、該拡散層と前記ドレイン層とを接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のチャージポンプ装置。