JP4138047B2 - 内部電圧生成回路 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体記憶装置のワード線に供給される昇圧電圧を生成する内部電圧生成回路に関するものである。
【0002】
近年の半導体記憶装置では、大規模・高集積化が進んでいる。そして、低消費電力化を図るために、増加したメモリセルトランジスタのゲートに供給される昇圧電圧の最適化が要求されている。
【0003】
【従来の技術】
DRAMのセルトランジスタを構成するNチャネルMOS(以下、NMOSという)トランジスタのバックゲートには、トランジスタのしきい値を安定させるため、あるいはセル容量からの充電電荷の漏れを防ぐために、基板バイアス電圧が印加される。
【0004】
図5は、従来の基板バイアス生成回路を示す。ソースが電源VCCに接続されたPチャネルMOS(以下、PMOSという)トランジスタTr50 のゲートには、電源VSSが接続されている。前記トランジスタTr50 のドレインは、ソースが電源VSSに接続されたPMOSトランジスタTr51 のドレインに接続されている。前記トランジスタTr50 ,Tr51 のドレイン、即ちノードN50は2段のインバータ51,52を介して降圧電圧生成回路50の入力端子に接続されている。降圧電圧生成回路50から出力される基板バイアス電圧Vbbは前記トランジスタTr51 のゲートに入力されるとともに、セルトランジスタのバックゲートに供給される。
【0005】
前記電源VCCは例えば3v、電源VSSは例えば0vが供給される。前記トランジスタTr50 は常時オンされている。前記トランジスタTr51 は、降圧電圧生成回路50から出力される基板バイアス電圧Vbbの降下に伴なってオンされ、そのオン抵抗は基板バイアス電圧Vbbが降下するにつれて小さくなる。従って、図6に示すようにトランジスタTr50 ,Tr51 のオン抵抗の比率に基づく前記ノードN50の検出電位Vdaは、基板バイアス電圧Vbbが降下するのにともなって降下する。尚、検出電位Vdaは、例えば基板バイアス電圧Vbbが−2vのとき、1.5vとなるように設定されている。
【0006】
前記インバータ51の出力電位は、前記検出電位Vdaが1.5v以上でLレベル、前記検出電位Vdaが1.5v未満でHレベルとなり、次段のインバータ52の出力電位Vbbenは、検出電位Vdが1.5v以上でHレベル(約3v)、検出電位Vdaが1.5v未満でLレベル(約0v)となるように設定されている。
【0007】
前記降圧電圧生成回路50は、Hレベルの出力電位Vbbenが入力されると活性化され、基板バイアス電圧Vbbを降下させる。又、出力電位VbbenがLレベルとなると不活性化される。
【0008】
このような基板バイアス生成回路では、基板バイアス電圧Vbbが−2v以上となると、前記検出電位Vdaが1.5v以上となり、出力電位VbbenがHレベルとなる。すると、前記降圧電圧生成回路50は活性化され、基板バイアス電圧Vbbを降下させる。
【0009】
そして、基板バイアス電圧Vbbが−2vより低くなると、前記検出電位Vdaが1.5v未満となり、出力電位VbbenがLレベルとなる。すると、前記降圧電圧生成回路50は不活性化されるため、基板バイアス電圧Vbbが0vに向かって上昇する。
【0010】
このような動作により、降圧電圧生成回路50から出力される基板バイアス電圧Vbbは−2vに収束される。この基板バイアス生成回路にて生成される基板バイアス電圧Vbbは、インバータ51のしきい値、あるいはPMOSトランジスタTr50 ,Tr51 のサイズを調整することにより、適宜に設定可能である。
【0011】
図7は、DRAMのワード線、即ちNMOSトランジスタにて構成されるセルトランジスタのゲートに供給するための昇圧電圧を生成するワード線電圧生成回路を示す。
【0012】
ゲートとドレインとが接続されたPMOSトランジスタTr53 のドレインは、PMOSトランジスタTr54 のソースに接続されている。前記トランジスタTr54 のゲートは電源VCC(例えば3v)に接続されている。前記トランジスタTr54 のドレインは抵抗Rを介して電源VSS(例えば0v)に接続されている。又、前記トランジスタTr54 のドレインはインバータ53を介して昇圧電圧生成回路54の入力端子に接続されている。昇圧電圧生成回路54から出力される昇圧電圧Vppは前記トランジスタTr53 のソースに供給されるとともに、ワード線駆動回路を介して選択されたワード線に供給される。尚、インバータ53の出力信号の振幅は電源VCC(3v)から電源VSS(0v)である。
【0013】
前記トランジスタTr53 ,Tr54 は、昇圧電圧生成回路54から出力される昇圧電圧Vppが電源VCCより前記トランジスタTr53 ,Tr54 のしきい値分以上高くなると、オンされる。尚、昇圧電圧Vppが例えば5vとなると、トランジスタTr53 ,Tr54 のオン抵抗と抵抗Rとの抵抗比に基づくノードN51の検出電位Vdbが3vとなるように設定されている。
【0014】
又、昇圧電圧Vppが5v未満となると、まず前記トランジスタTr54 がオフされ、検出電位Vdbが0vに向かって低下する。
従って、インバータ53の出力電位Vppenは、トランジスタTr53 ,Tr54 がオンされて、検出電位Vdbがインバータ53のしきい値を超えたときにはLレベル、トランジスタTr53 ,Tr54 がオフされて、検出電位Vdbがインバータ53のしきい値を下回ったときにはHレベルとなる。
【0015】
前記昇圧電圧生成回路54はHレベルの出力電位Vppenが入力されると活性化され、昇圧電圧Vppを上昇させる。又、Lレベルの出力電位Vppenが入力されると不活性化される。
【0016】
このワード線電圧生成回路では、昇圧電圧Vppが5v以上となると、昇圧電圧生成回路54が不活性化される。すると、昇圧電圧Vppが低下する。
そして、昇圧電圧Vppが5vより低くなると、昇圧電圧生成回路54が活性化され、昇圧電圧Vppを上昇させる。
【0017】
このような動作により、昇圧電圧生成回路54から出力される昇圧電圧Vppは5vに収束する。このワード線電圧生成回路にて生成される昇圧電圧VppはPMOSトランジスタの段数を調整することにより、その電圧値を適宜に設定可能である。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
半導体記憶装置の高集積化にともない、プロセスのばらつきに起因するセルトランジスタの特性のチップ毎のばらつきが大きくなる傾向にある。
【0019】
ところが、前記基板バイアス生成回路では、基板バイアス電圧Vbbの変化をPMOSトランジスタで検出することにより、最適な基板バイアス電圧Vbbを生成している。従って、セルトランジスタを構成するNMOSトランジスタのばらつきを検出することはできず、NMOSトランジスタのばらつきには無関係で一定の基板バイアス電圧Vbbが生成される。
【0020】
また、ワード線電圧生成回路でも昇圧電圧VppはPMOSトランジスタで検出されるため、セルトランジスタのばらつきに応じた昇圧電圧Vppをワード線電圧として生成することはできない。
【0021】
このため、昇圧電圧Vppはセルトランジスタのばらつきに対しても十分なマージンを確保し得るように設定する必要がある。
すると、チップによっては必要以上に高い昇圧電圧Vppが生成されてワード線に供給されることがある。このようなチップではその昇圧電圧Vppがセルトランジスタのゲートに繰り返し印加されることになるため、セルトランジスタを劣化させる原因となる。また、昇圧電圧Vppを高くするほど、ワード線の選択及び非選択動作にともなう消費電流が増大するという問題点がある。
【0022】
この発明の目的は、プロセスのばらつきによるトランジスタの特性のばらつきに応じた該トランジスタの制御電圧を生成し得る内部電圧生成回路を提供することにある。
【0023】
【課題を解決するための手段】
図1は請求項1に記載した発明の一部原理説明図である。内部電圧生成回路は、メモリセル内のセルトランジスタを構成し、基板バイアス生成回路で生成された基板バイアス電圧がバックゲートに供給される第1NMOSトランジスタのゲートに供給するための昇圧電圧を生成する。内部電圧生成回路は昇圧電圧生成回路100と昇圧電圧検出回路101を備え、昇圧電圧検出回路101は検出部102と活性化信号生成部103とから構成される。昇圧電圧生成回路100は第1活性化信号Vppenの入力に基づいて、高電位側電源電圧を昇圧した昇圧電圧Vppを出力する。検出部102は昇圧電圧Vppが所定値に達するまで低電位側電源電圧を検出電圧Vd として出力し、前記昇圧電圧Vppが所定値を超えたとき、該昇圧電圧Vppを第1NMOSトランジスタのしきい値分降圧した電圧を検出電圧Vd として出力する。活性化信号生成部103は前記検出電圧Vd が所定値を超えるまで、前記活性化信号Vppenを出力する。
【0024】
そして、前記検出部は、セルトランジスタを構成する第1NMOSトランジスタと同様のしきい値を有し、前記昇圧電圧がゲートに入力されるとともに前記高電位側電源がドレインに入力され、バックゲートには前記基板バイアス電圧が供給される第2NMOSトランジスタと、第2NMOSトランジスタのソースと低電位側電源との間に接続された抵抗とから構成され、前記昇圧電圧に基づいて前記第2NMOSトランジスタがオフした場合には低電位側電源電圧を検出電圧として出力し、前記昇圧電圧に基づいて前記第2NMOSトランジスタがオンした場合には、前記昇圧電圧を前記第1NMOSトランジスタのしきい値分降圧した電圧と、前記高電位側電源レベルの電圧とのいずれか低い方を検出電圧として出力するものとされる。前記活性化信号生成部は、検出部の第2NMOSトランジスタのソースから出力される前記検出電圧が直接入力される第1インバータで構成され、前記第1インバータのしきい値は、前記高電位側電源と低電位側電源との中間レベルから高電位側に偏倚されている。
【0025】
、前記基板バイアス生成回路は、第2活性化信号の入力に基づいて、低電位側電源電圧を降圧した降圧電圧を前記基板バイアス電圧として出力する降圧電圧生成回路と、前記基板バイアス電圧がバックゲートに入力されるとともに、ソースが低電位側電源に接続され、ゲート及びドレインが抵抗を介して高電位側電源に接続される第3NMOSトランジスタと、第3NMOSトランジスタのドレイン電圧が入力されて、該ドレイン電圧がしきい値以下となったとき、前記第2活性化信号を出力する第2インバータとから構成される。
【0027】
(作用)
請求項1に記載の発明によれば、検出電圧Vd が所定値に達するまでは第1活性化信号Vppenが出力されて、昇圧電圧Vppが上昇し、検出電圧Vd が所定値を上回ると第1活性化信号Vppenが出力されなくなって、昇圧電圧Vppが低下する。そして、検出電圧Vd は昇圧電圧Vppを第1NMOSトランジスタのしきい値分降圧した電圧であるため、昇圧電圧Vppは所定値より第1NMOSトランジスタのしきい値分高いレベルに収束する。
【0028】
又、前記検出電圧は、セルトランジスタを構成する第1NMOSトランジスタと同様のしきい値を有する第2NMOSトランジスタのゲートに入力される昇圧電圧に基づいて出力される。第1インバータは、しきい値より低い検出電圧が入力されると、第1活性化信号としてHレベルの信号を出力する。第1インバータのしきい値は、前記高電位側電源と低電位側電源との中間レベルから高電位側に偏倚しているため、第1インバータのしきい値+第2NMOSトランジスタのしきい値となる昇圧電圧は、高電位側電源より高いレベルに維持される。
【0029】
、基板バイアス生成回路において、降圧電圧生成回路は第2活性化信号の入力に基づいて、低電位側電源電圧を降圧した降圧電圧を基板バイアス電圧として出力する。第3NMOSトランジスタのバックゲートには前記基板バイアス電圧が入力され、その基板バイアス電圧に基づいてドレイン電圧がしきい値以下となったとき、第2インバータからは第2活性化信号が出力される。従って、前記ドレイン電圧は前記第2インバータのしきい値のレベルに収束され、基板バイアス電圧は第1NMOSトランジスタのしきい値が所定値となるように収束される。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図2〜図4に従って説明する。
図2は、DRAMに搭載される基板バイアス生成回路1と、ワード線電圧生成回路2を示す。本実施の形態では、基板バイアス生成回路1と、ワード線電圧生成回路2が内部電圧生成回路を構成している。
【0032】
基板バイアス生成回路1には、第2検出用MOSトランジスタとしてのモニタ用トランジスタTr1が備えられている。このモニタ用トランジスタTr1は、メモリセル内のセルトランジスタを構成するNMOSトランジスタと電気的特性が同じになっている。
【0033】
前記トランジスタTr1のソースは低電位側電源である電源VSSに接続され、ゲートはドレインに接続されている。トランジスタTr1のドレインは固定抵抗R1 を介して高電位側電源である電源VCCに接続されている。又、トランジスタTr1のドレインはインバータ3を介して降圧電圧生成回路4の入力端子に接続されている。降圧電圧生成回路4の出力電圧Vbbは前記トランジスタTr1のバックゲートに供給されるとともに、該DRAMのセルトランジスタのバックゲートに供給されている。
【0034】
本実施の形態では、前記電源VCCは3v、電源VSSは0vが供給されている。前記トランジスタTr1のしきい値は、前記基板バイアス電圧Vbbに応じて変化する。詳述すると、前記しきい値は、基板バイアス電圧Vbbが0vに向かって上昇するにつれて低くなり、基板バイアス電圧Vbbが降下するにつれて高くなる。即ち、トランジスタTr1のオン抵抗は基板バイアス電圧Vbbが降下するにつれて大きくなる。
【0035】
従って、トランジスタTr1のオン抵抗と固定抵抗R1 との抵抗比に基づくノードN1の検出電位Vd1は、図3に示すように基板バイアス電圧Vbbが降下するのにともなって上昇する。
【0036】
前記インバータ3の出力電位Vbbenは、前記検出電位Vd1が1.5v以上でLレベル(約0v)、前記検出電位Vd1が1.5v未満でHレベル(約3v)となるように設定されている。
【0037】
前記降圧電圧生成回路4は、Hレベルの出力電位Vbbenが入力されると活性化され、基板バイアス電圧Vbbを降下させる。又、Lレベルの出力電位Vbbenが入力されると不活性化される。
【0038】
このような基板バイアス生成回路1では、前記検出電位Vd1が1.5v未満となると、出力電位VbbenがHレベルとなり、前記降圧電圧生成回路4が活性化され、基板バイアス電圧Vbbを降下させる。すると、トランジスタTr1のオン抵抗は大きくなり、前記検出電位Vd1は上昇する。
【0039】
そして、前記検出電位Vd1が1.5v以上となると、出力電位VbbenがLレベルとなり、前記降圧電圧生成回路4が不活性化されるため、基板バイアス電圧Vbbが0vに向かって上昇する。すると、トランジスタTr1のオン抵抗は小さくなり、前記検出電位Vd1は下降する。
【0040】
このような動作により、検出電位Vd1が1.5vに収束されるように、即ち固定抵抗R1 に対するトランジスタTr1のオン抵抗が一定となるように、基板バイアス電圧Vbbが収束する。従って、この基板バイアス生成回路1では、プロセスバラツキにより各チップ毎のNMOSトランジスタの電気的特性が異なっていても、トランジスタTr1のしきい値が所定値となるような基板バイアス電圧Vbbが生成される。
【0041】
ワード線電圧生成回路2には、モニタ用トランジスタTr2が備えられている。このモニタ用トランジスタTr2は、メモリセル内のセルトランジスタを構成するNMOSトランジスタと電気的特性が同じになっている。
【0042】
前記トランジスタTr2のドレインは電源VCC(3v)に接続され、ソースは抵抗素子としての固定抵抗R2 を介して電源VSS(0v)に接続されている。又、トランジスタTr2のソースはインバータ6を介して昇圧電圧生成回路5の入力端子に接続されている。昇圧電圧生成回路5の出力電圧Vppは前記トランジスタTr2のゲートに入力されるとともに、ワード線駆動回路を介して、選択されたワード線に供給される。このトランジスタTr2のバックゲートには、前記基板バイアス電圧Vbbが供給されている。尚、前記インバータ6の出力信号の振幅は電源VCC(3v)から電源VSS(0v)であり、そのしきい値Vi は電源VCCよりわずかに低いレベル、例えば2.7v程度に設定される。本実施の形態では、固定抵抗R2 及びトランジスタTr2が検出部を構成し、インバータ6が活性化信号生成部を構成している。
【0043】
前記トランジスタTr2のバックゲートには、前記基板バイアス電圧Vbbが供給されているので、DRAMを構成するセルトランジスタと同じく、そのしきい値はプロセスのばらつきに関わらず一定となる。
【0044】
前記トランジスタTr2のドレイン、即ちノードN2の検出電圧としての検出電位Vd2は、トランジスタTr2のしきい値をVthとすれば、昇圧電圧Vpp−しきい値Vthと電源Vccレベルとのいずれか低い方となる。すると、図4に示すように、検出電位Vd2は昇圧電圧Vppの上昇にともなって上昇し、電源Vccレベルが上限となる。
【0045】
従って、検出電位Vd2が前記しきい値Vi に達するまではインバータ6の出力電位VppenがHレベルとなって、昇圧電圧Vppが上昇し、検出電位Vd2が前記しきい値Vi を上回ると出力電位VppenがLレベルとなって、昇圧電圧Vppが低下する。このような動作により、昇圧電圧Vppはしきい値Vi よりトランジスタTr2のしきい値分高いレベルに収束する。
【0046】
上記のように構成された基板バイアス生成回路1及びワード線電圧生成回路2では、次に示す作用効果を得ることができる。
(1)モニタ用トランジスタTr2のしきい値Vthは、メモリセル内のセルトランジスタを構成するNMOSトランジスタのしきい値と等しい値である。ワード線電圧生成回路2において、昇圧電圧Vppはインバータのしきい値Vi よりトランジスタTr2のしきい値分高い電圧レベルに収束する。前記しきい値Vi を電源Vccレベルに近い値に設定することにより、昇圧電圧Vppを電源Vccレベルよりセルトランジスタのしきい値分高いレベル付近に維持することができる。従って、セルトランジスタのしきい値がばらついても、常に昇圧電圧Vppを最適レベルに維持することができる。
(2)必要以上に高い昇圧電圧Vppがセルトランジスタのゲートに供給されることはないので、セルトランジスタの劣化を防止することができる。また、ワード線電位の振幅を無用に増大させることがないので、消費電流を低減することができる。
(3)基板バイアス電圧生成回路において、セルトランジスタの特性のばらつきに関わらず、セルトランジスタと同様な特性を備えたトランジスタTr1のしきい値を一定にする基板バイアス電圧Vbbが生成され、その基板バイアス電圧Vbbがセルトランジスタのバックゲートに供給される。従って、プロセスのばらつきに関わらず、セルトランジスタのしきい値を一定に維持することができる。
【0047】
上記実施の形態は以下のように変更して実施してもよい。
○上記実施の形態の固定抵抗R1 ,R2 はMOSトランジスタにて構成する等、どのような抵抗素子としてもよい。
【0048】
○トランジスタTr2のバックゲートに、図5に示す従来の基板バイアス生成回路で生成される基板バイアス電圧Vbbを供給しても、上記(1),(2)と同様の作用効果を得ることができる。
【0049】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項1に記載の発明によれば、昇圧電圧を所定値より第1NMOSトランジスタのしきい値分高いレベルに収束させることができる内部電圧生成回路を提供することができる。
【0050】
、昇圧電圧を高電位側電源より高いレベルに維持することができる内部電圧生成回路を提供することができる。
【0051】
、基板バイアス電圧を第1NMOSトランジスタのしきい値が所定値となるように収束させることができる内部電圧生成回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図。
【図2】実施の形態の内部電圧生成回路を示す回路図。
【図3】実施の形態の基板バイアス生成回路の各電位を示す波形図。
【図4】実施の形態のワード線電圧生成回路の各電位を示す波形図。
【図5】従来の基板バイアス生成回路を示す回路図。
【図6】従来の基板バイアス生成回路の各電位を示す波形図。
【図7】従来のワード線電圧生成回路を示す回路図。
【図8】従来のワード線電圧生成回路の各電位を示す波形図。
【符号の説明】
100 昇圧電圧生成回路
101 昇圧電圧検出回路
102 検出部
103 活性化信号生成部
Vpp 昇圧電圧
Vd 検出電圧
Vbben 活性化信号

Claims (1)

  1. メモリセル内のセルトランジスタを構成し、基板バイアス生成回路で生成された基板バイアス電圧がバックゲートに供給される第1NMOSトランジスタのゲートに供給するための昇圧電圧を生成する内部電圧生成回路であって、
    第1活性化信号の入力に基づいて、高電位側電源電圧を昇圧した前記昇圧電圧を出力する昇圧電圧生成回路と、
    前記昇圧電圧が所定値に達するまで前記第1活性化信号を前記昇圧電圧生成回路に出力し、前記昇圧電圧が前記所定値を超えたとき、前記第1活性化信号の出力を停止する昇圧電圧検出回路とを備え、
    前記昇圧電圧検出回路は、
    前記セルトランジスタを構成する前記第1NMOSトランジスタと同様のしきい値を有し、前記昇圧電圧がゲートに入力されるとともに前記高電位側電源がドレインに入力され、バックゲートには前記基板バイアス電圧が供給される第2NMOSトランジスタと、前記第2NMOSトランジスタのソースと低電位側電源との間に接続された抵抗とから構成され、前記昇圧電圧に基づいて前記第2NMOSトランジスタがオフした場合には低電位側電源電圧を検出電圧として出力し、前記昇圧電圧に基づいて前記第2NMOSトランジスタがオンした場合には、前記昇圧電圧を前記第1NMOSトランジスタのしきい値分降圧した電圧と、前記高電位側電源レベルの電圧とのいずれか低い方を検出電圧として出力する検出部と、
    前記検出電圧が所定値に達するまで、前記第1活性化信号を出力する活性化信号生成部とを備え
    前記活性化信号生成部は、前記検出部の前記第2NMOSトランジスタのソースから出力される前記検出電圧が直接入力される第1インバータで構成され、
    前記第1インバータのしきい値は、前記高電位側電源と低電位側電源との中間レベルから高電位側に偏倚され、
    前記基板バイアス生成回路は、
    第2活性化信号の入力に基づいて、低電位側電源電圧を降圧した降圧電圧を前記基板バイアス電圧として出力する降圧電圧生成回路と、
    前記セルトランジスタを構成する前記第1NMOSトランジスタと同様のしきい値を有し、前記基板バイアス電圧がバックゲートに入力されるとともに、ソースが低電位側電源に接続され、ゲート及びドレインが抵抗を介して高電位側電源に接続される第3NMOSトランジスタと、
    前記第3NMOSトランジスタのドレイン電圧が入力されて、該ドレイン電圧がしきい値以下となったとき、前記第2活性化信号を出力する第2インバータとから構成されたことを特徴とする内部電圧生成回路。
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