JP4754102B2 - Negative voltage generation circuit and semiconductor memory device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、負電圧発生回路に関し、更にはPLED(Phase-state Low Electron-number Drive)メモリにおいてメモリセルの非選択時にワード線に供給するオフ電圧の生成回路に利用して特に有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開2000−113683号には、PLEDメモリの応用技術として、情報電圧をゲート端子に保持する読出し用MOSトランジスタ、情報電圧を上記ゲート端子に与える書込み用トランジスタ(例えばMOSFETのチャネル部分にトンネル壁を設けたトンネルトランジスタ)、および上記ゲート端子に接続され該ゲート端子の電圧を制御するキャパシタとからなるメモリセルを備えた半導体メモリについて開示されている。
【0003】
このような構成によれば、情報電圧は絶縁膜に囲まれた領域に保持されるので、上記書込み用トランジスタの制御端子に例えば−3V程度の負電圧を印加することで、書込みデータが非常に長く保持することが可能になっている。すなわち、メモリセルの非選択時にワード線に−3V程度のオフ電圧を印加しておくことで、メモリセルに書き込まれたデータを非選択時に非常に長い期間保持することができ、それにより、情報保持のためにDRAM(Dynamic Random Access Memory)で行われているリフレッシュ動作の間隔を非常に長くすることが出来たり、或いはリフレッシュ動作を不要とすることが出来る。
【0004】
そこで、本発明者らが、上記のオフ電圧を発生させる負電圧発生回路を検討したところ、例えば、図13に示すような回路が考えられた。
この図において、C1は負電圧発生用のキャパシタ、M1はキャパシタC1の下部電極を負極側の電源電圧VSSにチャージするプリチャージMOS、C2はプリチャージMOS M1のゲート駆動用の電圧を逆ブースト作用により発生させるキャパシタ、Mout1は逆ブースト作用によりキャパシタC1に発生された負電圧を出力するとともに負電圧が発生してない期間の電流の逆流を防止する出力トランスファMOS、INV1はキャパシタC1の上部電極の電圧を正極と負極の電源電圧VCC,VSSに切り換えるインバータである。インバータINV1はキャパシタC1の充電をするため駆動力が大きく構成される。その前段のインバータINV2,INV3は、信号を除々に大きくして入力信号をインバータINV1に合わせるために設けられた緩衝用のインバータである。
【0005】
また、図13において、NOR回路10,11、AND回路12、並びに、インバータINVおよびキャパシタC10からなる遅延回路は、キャパシタC1の上部電極の接続切換用のタイミング信号と、下部電極の接続切換用のタイミング信号とを生成するタイミング生成回路である。また、MOS M21はノードN2の電圧上昇を抑えてキャパシタC2の逆ブーストを補助する電圧クランプ用のMOS、ダイオード接続されたMOS M23〜M25はノードN2の電圧が下がり過ぎないようにするリミッタ回路である。また、MOS M21はノードN1の電圧上昇を抑えてキャパシタC1の逆ブーストを補助する電圧クランプ用のMOS、ダイオード接続されたMOS M13〜M16はノードN2の電圧が下がり過ぎないようにするリミッタ回路である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような負電圧発生回路では、キャパシタC1に発生された負電圧を出力するのにゲートがドレインに結合された出力トランスファMOSMout1を使用しているので、該出力トランスファMOS Mout1から出力される負電圧は、ゲート電圧VgとMOSFETのしきい値電圧Vthとの差電圧(Vg−Vth)となり、キャパシタC1で発生された負電圧よりも例えば1V以上高い電圧となってしまう。
【0007】
この負電圧発生回路を用いて上記PLEDメモリのオフ電圧を生成しようとすると、電源電圧として4V〜5V程度の電圧が必要となるが、近年では一般に外部電源は3V程度と低減されており、このような状況では必要なオフ電圧を生成できないという問題があった。
【0008】
また、上記のような負電圧発生回路を複数段設け、1段目で発生した負電圧を2段目の負極側の電圧として用いることで、2段目の負電圧発生回路から更に低い電圧を発生させることも考えられるが、このようにチャージポンプ回路を複数段重ねた構成では、電圧の供給効率やスタートアップ特性が悪くなるという問題がある。
【0009】
その他、負電圧発生回路として応用可能な従来の技術として、特開平5−189970号、特開平11−328956号に開示の昇圧回路があるが、このような昇圧回路の構成を負電圧発生回路として応用することは行われていなかった。
【0010】
この発明の目的は、電圧供給効率やスタートアップ特性に優れ、且つ、3V程度の低い電源電圧を用いて−3V程度の負電圧が生成可能な負電圧発生回路を提供することにある。
【0011】
この発明の他の目的は、このような負電圧発生回路を用いてリフレッシュ間隔を非常に長くしたり事実上リフレッシュ動作が不要となる半導体記憶装置を提供することにある。
【0012】
この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面から明らかになるであろう。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。
【0014】
すなわち、負電圧発生用の第1容量、および、該第1容量の2つの電極と正極側の第1電源および負極側の第2電源との接続状態を切り換えるスイッチ手段を少なくとも有し、スイッチ手段の切換により第1容量の一方の電極に前記第2電源の電圧より低い第1の負電圧を発生させる第1のチャージポンプ回路と、複数の容量、および、これら複数の容量を正極側の第1電源と負極側の第2電源との間に並列的に接続する状態とこれら複数の容量を直列的に接続する状態とに切り換えるスイッチ手段を有し、該スイッチ手段の切換により直列的に接続された容量の一端側に前記第2電源の電圧より低い第2の負電圧を発生させる第2のチャージポンプ回路であって、前記複数の容量のうち第2容量は第1のノードと第2のノードとの間に接続され、前記複数の容量のうち第3容量の一端は第3のノードに接続されると共に、他端は遅延用インバータを介して前記第1のノードに接続され、さらに、前記第1のノードと前記第1電源との間に接続された第1のPチャネルMOSFET、及び、前記第1のノードと前記第3のノードとの間に接続された第1のNチャネルMOSFETを備える第2のチャージポンプ回路と、前記第2のチャージポンプ回路で発生した第2の負電圧をゲートに受けて、前記第1のチャージポンプ回路で発生した第1の負電圧をソース・ドレイン間を通して出力する逆流防止用の出力トランスファMOSトランジスタと、を備えた負電圧発生回路である。また、出力端と第4のノードとの間に接続され制御端子が第2のノードに接続された出力トランスファMOSトランジスタと、入力信号を受け、前記第4のノードの電位を負電位にする第1のチャージポンプ回路と、入力信号を受け、前記第2のノードを負電位にする第2のチャージポンプ回路であって、第のノードと第2のノードとの間に接続される第1の容量と、一端が第3のノードに接続されると共に、他端が遅延用インバータを介して前記第のノードに接続される第2の容量と、前記第のノードと正極側の第1電源との間に接続された第1のPチャネルMOSFET及び前記第のノードと前記第3のノードとの間に接続された第1のNチャネルMOSFETとを含む第2のチャージポンプ回路と、を備えることを特徴とする負電圧発生回路である。
【0015】
このような手段によれば、第2のチャージポンプ回路により第1のチャージポンプ回路よりもずっと低い電圧を生成でき、この電圧を出力トランスファMOSのゲート駆動用の電圧として用いているので、第1のチャージポンプ回路で発生した第1の負電圧を電圧上昇させずに出力トランスファMOSを介して出力させることが出来る。従って、電圧供給効率やスタートアップ特性を低減することなく、例えば3Vの外部電源を使用して−3Vの負電圧を発生させることが出来る。
【0016】
望ましくは、前記第1のチャージポンプ回路のスイッチ手段は、前記第1容量の一方の電極にそれぞれ共通ドレインが接続されるとともにソースが第1電源に接続された第2のPチャネルMOSFETおよびソースが前記第2電源に接続された第2のNチャネルMOSFETと、前記第1容量の他方の電極に接続され、該他方の電極と前記第2電源とを接続又は切断の状態に切り換えるプリチャージMOSFETとから構成されると良い。
【0017】
さらに望ましくは、前記第3容量の他端は、遅延用インバータを介して前記第1のノードに接続される代わりに、前記第2のPチャネルMOSFET及び前記第2のNチャネルMOSFETの共通ドレインに接続されるように構成すると良い。
【0018】
また望ましくは、前記第2のノードと前記第2の電源との間に接続され、制御端子が前記プリチャージMOSFETの制御端子と接続された第3のPチャネルMOSFETと、前記第3のノードと前記第2の電源との間に接続され、制御端子が前記プリチャージMOSFETの制御端子と接続された第4のPチャネルMOSFETと、前記プリチャージMOSFETの制御端子の電位を、前記第2の電源の電圧近傍まで引き下げるクランプ用の第5のPチャネルMOSFETと、をさらに備えるようにすると良い。
【0019】
また、情報電圧をゲート端子に保持する読出し用MOSトランジスタ、該ゲート端子に情報電圧を与える書込み用トランジスタ、および前記ゲート端子に一方の電極が接続され該ゲート端子の電圧を制御するキャパシタとを有し、前記書込み用トランジスタの制御用端子と前記キャパシタの他方の電極とがワード線に接続され、前記書込み用トランジスタのデータ入力用端子と前記読出し用MOSトランジスタのソース端子又はドレイン端子とがデータ線に接続されてなるメモリセルを備えた半導体記憶装置において、メモリセルの非選択時に前記ワード線に供給される電圧を生成する回路として上述の負電圧発生回路を適用すると良い。
【0020】
このように非選択時に負電圧を供給することで、上記読出し用MOSトランジスタのゲート端子に保持される情報電圧を非常に長く保持しておくことが出来る。
【0021】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明する。図1は、本発明を適用して好適な負電圧発生回路の第1実施例を示す回路図である。この実施例の負電圧発生回路は、キャパシタC1、該キャパシタC1に対応するプリチャージMOS M1およびインバータINV1〜INV3などからなる第1のチャージポンプ回路と、複数のキャパシタC3,C4、これら対応するプリチャージMOS M3,M4、接続切換用のPチャネルMOS MP1およびNチャネルMOSMN1、並びに、遅延用のインバータINV4等からなる第2のチャージポンプ回路と、上記プリチャージMOS M1,M3,M4のゲート駆動用の電圧を逆ブースト作用により発生させるキャパシタC2と、第1のチャージポンプ回路により発生された負電圧を出力するとともに電流の逆流を防止する出力トランスファMOSMout1と、NOR回路10,11、NAND回路12、遅延用のインバータINVおよびキャパシタC10からなるタイミング生成回路とを備えたものである。なお、キャパシタC4は、第1のノードであるノードN5と第2のノードであるノードN3との間に接続されている。また、キャパシタC3は、一端が第3のノードであるノードN4に接続され、他端が遅延用のインバータINV4を介してノードN5に接続されている。
【0022】
また、この負電圧発生回路には、第1のチャージポンプ回路の逆ブースト作用を補助するため、第ノードN1の電圧を負極の電源電圧VSS(例えばグランド電位)近くに引き下げるクランプMOS M11、この第ノードN1に何らかの理由で過度の負電圧が発生した場合に電圧低下を制限するダイオード接続されたMOS M13〜M16からなるリミッタ回路、また、キャパシタC2の逆ブースト作用を補助するため第2ノードN2の電圧が負極の電源電圧VSS近くに引き下げるクランプMOS M21、この第2ノードN2の電圧が何らかの理由で過度の負電圧が発生した場合にそれ以下の電圧低下を制限するダイオード接続されたMOS M23〜M25からなるリミッタ回路等が設けられている。
【0023】
第1のチャージポンプ回路においてキャパシタC1に充放電を行う上記インバータINV1は、キャパシタC1に合わせて大きな駆動力に設計されている。その前段のインバータINV2,INV3は、駆動力の大きなインバータINV1を駆動するために除々に駆動力が大きくなるように設計されたものである。そして、プリチャージMOS M1がオン状態のときにインバータINV1によりキャパシタC1の上部電極が電源電圧VCCに充電され、次に、プリチャージMOSM2をオフ状態にしてキャパシタC1の上部電極をインバータINV1により負極の電源電圧VSSにたたき下げることで、キャパシタC1の下部電極に電源電圧の2倍の負電圧(−2×(VCC−VSS))に逆ブーストする。
【0024】
第2のチャージポンプ回路は、複数のキャパシタC3,C4を電源電圧VCC,VSSの間に並列的に接続した状態から直列的に接続した状態に切り換えることで、逆ブースト作用により個々のキャパシタに発生された負電圧を加算した電圧を第ノードN3に発生させるものである。
【0025】
すなわち、プリチャージMOS M3,M4がオン状態のときに、一方のキャパシタC3についてはインバータINV4により、他方のキャパシタC4についてはPチャネルMOS MP1がオン状態になることにより、各キャパシタC3,C4の上部電極が電源電圧VCCに充電される。次いで、プリチャージMOSM3,M4をオフ状態にするとともに、PチャネルMOS MP1をオフ状態にNチャネルMOS MN1をオン状態にすることで、キャパシタC3の下部電極とキャパシタC4の上部電極とが接続される。さらに、インバータINV4がキャパシタC3の上部電極を負極の電源電圧VSSにたたき下げることで、2個のキャパシタC3,C4が直列接続された状態で逆ブースト作用を受けてキャパシタC4の下部電極に電源電圧の2倍の負電圧(−2×(VCC−VSS))が発生される。
【0026】
遅延用のインバータINV4は、プリチャージMOS M3が完全にオフ状態になるタイミングに、縦続接続されたキャパシタC3,C4の逆ブースト動作が行われるようにタイミングを合わせるものである。
【0027】
上記第1チャージポンプ回路で発生された負電圧は出力トランスファMOS Mout1のドレイン端子に供給され、第2チャージポンプ回路で発生された負電圧は出力トランスファMOS Mout1のゲート端子に印加される。ゲート端子に印加される負電圧はドレイン端子に出力される負電圧よりもずっと低いので、出力トランスファMOS Mout1のソース端子からは第1チャージポンプ回路の負電圧がほぼ電圧上昇なく出力される。
【0028】
図2は、本発明を適用して好適な負電圧発生回路の第2実施例を示す回路図である。
この第2実施例の負電圧発生回路は、第2のチャージポンプ回路の2個のキャパシタC3,C4を直列に接続するNチャネルMOS MN2のゲートの耐圧対策を施した一例である。NチャネルMOS MN2のソース端子は、キャパシタC3の下部電極に接続されているので、そこには負極の電源電圧VSSか逆ブースト時の負電圧(VSS−VCC)が印加される。そのため、ゲート端子にNOR回路11の出力電圧が印加されていると、逆ブースト時にはゲート・ソース間電圧は非常に大きくなる。従って、この実施例では、NチャネルMOS MN2のゲートを負極の電源電圧VSSに接続して、ゲート・ソース間に過大な電圧が印加されないようになっている。
【0029】
このような構成によれば、逆ブースト時には、キャパシタC3の下部電極の電位が電源電圧VSSより低くなることで、NチャネルMOS MN2は自動的にオン状態となって、図1の第1実施例の回路とほぼ同様の動作が行われる。
【0030】
ただし、その分、NチャネルMOS MN2がオン状態になるタイミングが遅れるので、NチャネルMOS MN2とPチャネルMOS MP1の共通ドレインの信号を、後段のキャパシタC2を逆ブーストする信号に使うことが出来ない。従って、この実施例では、キャパシタC3の上部電極を充放電するのに、第1のチャージポンプ回路のキャパシタC4の充放電を行っているインバータIN1により行われるように構成されている。この構成においては、インバータIN1〜INV3により遅延作用も及ぼされるので、キャパシタC3の充放電のタイミングも図1の第1実施例の回路とほぼ同様になる。
【0031】
図3は、上記の負電圧発生回路にクロック信号を供給する発信回路の一例を示す回路図である。
この図3の回路は、図1及び図2の負電圧発生回路においてタイミング生成回路のNOR回路10にクロック信号OSCを供給する発信回路の一例で、インバータリング方式の発振器であり、ストップ信号STOPがローレベルでアクティブ信号ACTBがローレベルのときに、初段のインバータINV10のNMOS
MN10がオン状態になり、インバータリングが発信動作する。
【0032】
この発信回路においては、第2段〜第5段のインバータINV12〜INV15に形成されたMOS MT1〜MT4が、Pチャネル形同士或いはNチャネル形同士で素子サイズを異ならせて形成されており、モード信号MODE2により、これらMOS MT1〜MT4のうちオン状態にするMOSFETとオフ状態にするMOSFETとを選択することで、各インバータINV12〜INV15の遅延が変化して、発信周波数が2通りに切り換えられるようになっている。
【0033】
次に、図1や図2に示した負電圧発生回路において出力トランスファMOS Mout1のゲート駆動電圧を発生させる第2のチャージポンプの動作原理を簡略化して説明する。
【0034】
図4は、上述の第2のチャージポンプ回路の負電圧発生原理を説明するために複数ブースト型のチャージポンプ回路を簡略的に示した図である。
このチャージポンプ回路は、図4(a)に示すように、正極と負極の電源電圧VCC,VSSの間に4つのキャパシタC21〜C24を並列的に接続した状態から、図4(b)に示すように、これら4つのキャパシタC21〜C24を直列的に接続した状態とに変換するとともに、直列的に接続された4つのキャパシタC21〜C24の高電位側の電極に負極の電源電圧VSSを接続することで、その低電位側の電極に電位の低い負電圧を発生させる回路である。
【0035】
図4において、S1〜S4,S31〜S34は、キャパシタC21〜C24の接続状態を上記のように切り換えるスイッチ、Coは出力ノードNoutにある負荷容量である。
【0036】
図5は、図4のチャージポンプ回路における各ノードの信号波形を示す図である。この図5においては、スイッチS1〜S4がオン状態でスイッチS31〜S34が左側端子TLに接続された初期状態▲1▼と、スイッチS1〜S4がオン状態でスイッチS31〜S34が上部端子TUに接続された充電期間▲2▼と、スイッチS1〜S4がオフ状態でスイッチS31〜S34が左側端子TLに接続された放電期間▲3▼とに分けて動作波形を示してある。
【0037】
先ず、上記初期状態▲1▼のときには、各キャパシタC21〜C24の上部電極のノードN21〜N24および出力ノードNoutの電位は負極の電源電圧VSS(0V)となっている。
【0038】
次いで、充電期間▲2▼になると、4つのキャパシタC21〜C24が充電されて、それら上部電極の各ノードN21〜N24の電位は0Vから正極の電源電圧VCCに上昇される。
【0039】
次に、放電期間▲3▼においては、1番目のキャパシタC21の上部電極は電源電圧VSSに接続されるので、該ノードN21の電位は電圧VSS(0V)に低下する。また、この1番目のキャパシタC21の下部電極と接続される2番目のキャパシタC22の上部電極のノードN22の電位は、キャパシタC21に充電された電荷が負荷容量Co側に少し移動するので、その分、キャパシタC21の両極間の電圧は幾分小さくなって、−η×VCCとなる。ここで、Cη=4C/(4Co+C),C=C21+C22+C23+C24である。C21〜C24,Coは、各キャパシタC21〜C24,Coの容量値をそれぞれ記している。
【0040】
同様に、2番目のキャパシタC22の下部電極と接続されるノードN23の電位は−η×2VCC、3番目のキャパシタC23の下部電極と接続されるノードN24の電位は−η×3VCC、4番目のキャパシタC24の下部電極と接続される出力ノードNoutの電位は−η×4VCCとなり、非常に低い負電圧が高効率に且つ高速に得られる。さらに、これら複数のキャパシタの段数を増すことで、さらに低い負電圧を発生することも可能である。
【0041】
図6には、図4の回路のキャパシタの段数をn段構成にしたチャージポンプ回路のMOS構成図を示す。
この図6において、CA1〜CAnはn段構成のキャパシタ、MS1〜MSnは図4のスイッチS1〜S4に対応するプリチャージMOS、INVS31〜INVS3nは図4のスイッチS31〜S34に対応するCMOSインバータスイッチである。
【0042】
また、NOR回路10,11、NAND回路12、容量C2、クランプMOSM21、および、MOS M23〜M25からなるリミッタ回路は、図1のものと同様のものである。また、NOR回路11とNAND回路12の前段に設けられた遅延回路13は、図1のインバータINVおよび容量C10からなる遅延回路に対応し、また、1段目のインバータスイッチINVS31の前段に設けられた遅延回路14は、図1のインバータINV4やMOS MP1,MN1の遅延作用に対応するものである。
【0043】
図7にはこのチャージポンプ回路における各ノードの信号波形図を示す。
このようなチャージポンプ回路によれば、NAND回路12の出力NS1は、外部入力されるクロック信号OSCの立下りから遅延回路13の遅延分経過してローレベルになった後、クロック信号OSCの立ち上がりで直ぐにハイレベルになる。一方、NOR回路11の出力NS3は、外部入力されるクロック信号OSCの立下りで直ぐにローレベルになり、クロック信号OSCの立ち上がりから遅延回路13の遅延分経過してハイレベルになる。このようにして、各キャパシタCA1〜CAnの下部電極側に接続されたプリチャージMOS MS1〜MSnを動作させる幅の狭いタイミングパルスと、上部電極側に接続されたインバータスイッチINVS31〜INVS3nを動作させる幅の広いタイミングパルスが生成される。
【0044】
そして、これらにより、図5に示した逆ブースト作用と同様に、n段のキャパシタCA1〜CAnによる逆ブースト作用が発生して、出力ノードNoutに−η×n×VCCの負電圧が発生する。
【0045】
また、1段目のキャパシタCA1の前段側に設けられた遅延回路14は、プリチャージMOS MS1〜MSnが完全にオフ状態になるタイミングに、縦続接続されたキャパシタCA1〜CAnの逆ブースト動作が行われるようにタイミングを合わせるものである。
【0046】
図8は、図6のチャージポンプ回路に出力トランスファMOS Mout2を付設した例の回路図、図9は、このチャージポンプ回路における各ノードの信号波形を示す図である。
【0047】
図8のように、出力ノードNoutの手前に出力トランスファMOS Mout2を付設すると、n段キャパシタCA1〜CAnの逆ブースト作用で発生した負電圧は負荷容量Coを充電するが、その後、この充電電圧は逆流せずに負荷容量Coで保たれるので、n段キャパシタCA1〜CAnの逆ブースト動作を繰り返していくことで、最終的には負荷容量Coの充電電圧が飽和するまで、発生負電圧は低下していく。そして、飽和状態において、n段目のキャパシタCAnの下部電極のノードNGnの電位は、負荷容量Coへの電荷の移動がなくなるので、−n×VCCとなり、出力ノードNoutの電位は出力トランスファMOS Mout2のしきい値電圧Vthだけ高い電位、−n×VCC+Vthとなる。
【0048】
図10は、図6のチャージポンプ回路にNチャネルMOSFETとプリチャージMOSの耐圧対策を行った例を示す回路図、図11はこの回路における各ノードの信号波形を示した図である。
【0049】
図6のチャージポンプ回路においては、2段目〜n段目のインバータスイッチINVS32〜INVS3nのNMOS MN32〜MN3nのソース端子には負電圧(−η×VCC)〜(−η×n×VCC)が印加されるので、これらNMOS MN32〜MN3nのゲート・ソース間に大きな電圧が印加されることになる。同様に、プリチャージMOS MS1〜MSnのドレイン端子には負電圧(−η×VCC)〜(−η×n×VCC)が印加されるので、該プリチャージMOS MS1〜MSnのゲート・ドレイン間に大きな電圧が印加されることになる。
【0050】
図10のチャージポンプ回路では、上記NMOS MN32〜MN3nのゲート・ソース間耐圧を図るため、これらNMOS MN32〜MN3nのゲート端子を、その前段のキャパシタCA1,CA2…に対応するインバータスイッチINVS31,INVS32…を構成するNMOS MN31,MN32…のソース端子に接続している。このような接続により、NMOS MN32〜MN3nのゲート・ソース間電圧はほぼ電源電圧VCC程度に収まり、ゲート破壊を防止できる。また、前段のキャパシタCA1,CA2…が逆ブーストされてNMOSMN32〜MN3nのソース電圧が低下することで、該NMOS MN32〜MN3nがオン状態になるので、インバータスイッチINVS31〜INVS3nとして正常な動作が得られる。
【0051】
また、プリチャーヂMOS MS1〜MSnのゲート・ドレイン間耐圧を図るために、各プリチャージMOS MS1〜MSnのゲート・ドレイン間にキャパシタCC1〜CCnを付設するとともに、各ゲート端子にクランプMOS M21、および、リミッタ回路L1〜Lnとを設けている。リミッタ回路L1〜Lnは、各プリチャージMOS MS1〜MSnのドレイン端子に発生される負電圧の大きさに応じた制限電圧に設定されている。
【0052】
このような構成によれば、図11のノードNS2nの信号波形に示すように、逆ブースト作用を受けて複数段のキャパシタCA1〜CAnの下部電極に負電圧が発生したタイミングにおいて、その負電圧がキャパシタCC1〜CCnを介してプリチャージMOS MS1〜MSnのゲート端子側に伝わる。従って、ゲート・ドレイン間電圧は所定値より大きくならず、ゲート破壊を防ぐことが出来る。また、リミッタ回路L1〜Lnにより、ゲート電圧は設定値より低くならないので、この期間にプリチャージMOS MS1〜MSnはオフ状態に制御され、プリチャージMOSとして正常な動作が得られる。
【0053】
以上のように、複数のキャパシタを並列接続から直列接続に切り換えて負電圧を発生させる回路について幾つかのバリエーションを挙げて説明したが、このような回路を図1や図2の第2プリチャージ回路として適用することが出来る。また、出力負電圧を発生させる第1プリチャージ回路の方に適用しても良い。
【0054】
図12は、上述の負電圧発生回路を適用して有用なPLEDメモリを示す回路ブロック図である。
【0055】
このPLEDメモリは、特開2000−113683号公報に詳述されているものであり、詳細は省略するが、NチャネルMOSFETからなる読出し用のトランジスタQR、トンネルトランジスタからなる書込み用のトランジスタQW、および、読出し用トランジスタQRのゲート電圧を制御する結合容量Cを有する複数のメモリセルMCと、ソース線SLを介して各メモリセルMCに供給されるソース電圧の制御を行うソース電圧制御回路SVCと、各メモリセルMCが行毎に結合される複数のワード線WLに書込み時、読出し時および非選択時とで3レベルの電圧を供給するデータコントロールレジスタDCRと、読出し動作の前に各データ線を所定電圧VDDにプリチャージするプリチャージMOS Qp、読出し動作の前に相補的な1対のデータ入出力線I/O,I/OBを所定の電圧VDD/2にプリチャージするプリチャージMOS Qp2、選択列のデータ線DLをデータ入出力線I/O,I/OBに接続するカラムスイッチQy、1対のデータ入出力線I/O,I/OBに読み出されたデータ信号を増幅するセンスアンプSA、外部との間でデータの入出力を行う入出力データバッファDBなどを備えている。
【0056】
上記のメモリセルMCにおいて、結合容量Cの一方の電極と書込み用トランジスタQWのゲートはワード線WLに接続され、読出し用トランジスタQRの1つのデータ端子(例えばソース又はドレイン)と書込み用トランジスタQWの1つのデータ端子(例えばソース又はドレイン)はそれぞれデータ線DLに接続される。
【0057】
書込み用トランジスタQWに利用されるトンネルトランジスタは、積層された複数の層(例えば4層)のポリシリコンの両側にゲート酸化膜を介してゲート電極が配置された縦型のトランジスタである。ポリシリコンの各層間には、例えば薄いシリコン窒化膜からなるトンネル膜が形成される。
【0058】
このようなメモリセルMCにおいては、記憶データは読出し用トランジスタQRのゲート電極が接続される接続ノードNMに保持される。この接続ノードNMは絶縁膜に囲まれた構造となるので、DRAMセルのようにpn接合からリーク電流が生じたり、ソフトエラーによる記憶データが反転するような問題も発生しない。そして、メモリセルMCの非選択時に書込み用トランジスタQWのゲートに一定のオフ電圧を印加して書込み用トランジスタQWを十分にオフ状態にすることで、記憶されたデータ信号がデータ線DLに流れてしまうのを十分に低く抑えられる。それゆえ、メモリセルMCのデータ保持時間が長くなって、必要なリフレッシュ時間をきわめて長くできたり、リフレッシュ動作を不要として事実上の不揮発化とすることも出来る。
【0059】
この半導体メモリにおいて、メモリセルMCの非選択状態時にワード線WLに上記のオフ電圧を印加するのが、データコントロールレジスタDCRであり、このオフ電圧を発生する回路として、上記実施例の負電圧発生回路NVGが用いられている。
【0060】
以上のように、図1や図2の負電圧発生回路によれば、キャパシタC3,C4を用いて2段逆ブーストする第2のチャージポンプ回路により、キャパシタC1に逆ブースト電圧を発生させる第1のチャージポンプ回路よりも、ずっと低い電圧を発生させ、この電圧を出力トランスファMOS Mout1のゲート駆動用の電圧として用いているので、第1のチャージポンプ回路で発生した第1の負電圧を電圧上昇させずに出力トランスファMOS Mout1を介して出力させることが出来る。従って、電圧供給効率やスタートアップ特性を低減することなく、例えば3Vの外部電源を使用して−3Vの負電圧を発生させることが出来る。
【0061】
さらに、図2の負電圧発生回路によれば、2段ブーストを行う第2のチャージポンプ回路の2番目のキャパシタC4に対応するNMOS MN2のゲート端子を電源電圧VSSに接続しているので、PMOS MP1のゲート端子に結合した図1の場合と較べて、NMOS MN2のゲート・ソース間或るいはゲート・ドレイン間に印加される電圧を小さくし、回路の耐圧を上げることが出来る。
【0062】
また、図1や図2の負電圧発生回路によれば、2段ブーストを行う第2チャージポンプ回路の1番目のキャパシタC3の充放電するタイミングをインバータINV4,INV4により2番目のキャパシタC4のタイミングより遅延させているので、安定的に且つ効率良く負電圧を発生することが出来る。
【0063】
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0064】
例えば、図1や図2の実施例では、キャパシタC1を用いて出力電圧を発生させる第1のチャージポンプ回路はキャパシタC1が1個の構成としたが、この第1チャージポンプ回路の方にも複数のキャパシタを並列から直列に切り換える形式のチャージポンプ回路を適用することも出来る。
【0065】
以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるPLEDメモリのオフ電圧の発生回路について説明したがこの発明はそれに限定されるものでなく、負電圧を必要とする半導体集積回路に広く利用することができる。
【0066】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。
【0067】
すなわち、本発明に従うと、第2のチャージポンプ回路により第1のチャージポンプ回路よりもずっと低い電圧が発生され、この電圧が出力トランスファMOSのゲート駆動用の電圧として用いられるので、第1のチャージポンプ回路で発生した第1の負電圧を電圧上昇させずに出力トランスファMOSを介して出力させることが出来る。従って、電圧供給効率やスタートアップ特性を低減することなく、例えば3Vの外部電源を使用して−3Vの負電圧を発生させることが出来るという効果がある。
【0068】
さらに、複数の容量を用いて負電圧を発生させる第2のチャージポンプ回路において、前段の容量の一方の電極を後段の容量の他方の電極に接続するNチャネルMOSFETのゲート端子を負極側の第2電源、または、前段の容量に対応するNチャネルMOSFETのソース端子に接続されるように構成することで、上記NチャネルMOSFETの耐圧向上を図れるという効果がある。
【0069】
また、本発明の半導体記憶装置によれば、上記のような負電圧発生回路を非選択のワード線に印加するオフ電圧の発生回路として適用することで、3V程度の低電圧の電源を用いた場合でも、適切なオフ電圧を発生させて、リフレッシュ間隔を非常に長くしたり、リフレッシュ動作が不要とすることが出来るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用して好適な負電圧発生回路の第1実施例を示す回路図である。
【図2】本発明を適用して好適な負電圧発生回路の第2実施例を示す回路図である。
【図3】負電圧発生回路にクロック信号を供給する発信回路の一例を示す回路図である。
【図4】第2のチャージポンプ回路の負電圧発生原理を説明するチャージポンプ回路の簡略図である。
【図5】図4の回路における各ノードの信号波形を示す図である。
【図6】図4の動作原理でキャパシタの段数をn段構成にしたチャージポンプ回路のMOS構成図である。
【図7】図6のチャージポンプ回路における各ノードの信号波形を示す図である。
【図8】図6のチャージポンプ回路に出力トランスファMOSを付設した例を示す回路図である。
【図9】図8のチャージポンプ回路における各ノードの信号波形を示す図である。
【図10】図6の回路のNチャネルMOSFETとプリチャージMOSに耐圧対策を行った例を示す回路図である。
【図11】図10のチャージポンプ回路における各ノードの信号波形を示す図である。
【図12】実施例の負電圧発生回路が適用されるPLEDメモリを示す回路ブロック図である。
【図13】PLEDメモリのオフ電圧発生用の回路として発明者が以前に検討した負電圧発生回路の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
C1 第1のチャージポンプ回路のキャパシタ
C3,C4 第2のチャージポンプ回路のキャパシタ
INV1〜INV3 CMOSインバータ
INV4 遅延用のインバータ
M1,M3,M4 プリチャージMOS
MP1 PチャネルMOSFET
MN1,MN2 NチャネルMOSFET
Mout1 出力トランスファMOS
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a negative voltage generation circuit, and more particularly to a technique that is particularly useful in a PLED (Phase-State Low Electron-number Drive) memory and used for a generation circuit of an off voltage supplied to a word line when a memory cell is not selected. .
[0002]
[Prior art]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-113683, as an application technology of a PLED memory, a read MOS transistor that holds an information voltage at a gate terminal, a write transistor that applies an information voltage to the gate terminal (for example, a tunnel wall is formed in a channel portion of a MOSFET). A semiconductor memory including a memory cell including a tunnel transistor provided) and a capacitor connected to the gate terminal and controlling the voltage of the gate terminal is disclosed.
[0003]
According to such a configuration, the information voltage is held in the region surrounded by the insulating film. Therefore, by applying a negative voltage of, for example, about −3 V to the control terminal of the write transistor, the write data is very high. It can be held for a long time. That is, by applying an off voltage of about −3 V to the word line when the memory cell is not selected, data written in the memory cell can be held for a very long period when the memory cell is not selected. The interval between refresh operations performed in a DRAM (Dynamic Random Access Memory) for holding can be made very long, or refresh operations can be made unnecessary.
[0004]
Then, when the present inventors examined the negative voltage generation circuit which generate | occur | produces said off voltage, the circuit as shown, for example in FIG. 13 was considered.
In this figure, C1 is a capacitor for generating a negative voltage, M1 is a precharge MOS for charging the lower electrode of the capacitor C1 to the power supply voltage VSS on the negative side, and C2 is a reverse boost action for the voltage for driving the gate of the precharge MOS M1. Mout1 is an output transfer MOS that outputs a negative voltage generated in the capacitor C1 by reverse boosting and prevents reverse current flow during a period when no negative voltage is generated. INV1 is an upper electrode of the capacitor C1. This is an inverter that switches the voltage between positive and negative power supply voltages VCC and VSS. The inverter INV1 is configured to have a large driving force for charging the capacitor C1. The preceding inverters INV2 and INV3 are buffer inverters provided to gradually increase the signal to match the input signal to the inverter INV1.
[0005]
In FIG. 13, NOR circuits 10 and 11, AND circuit 12, and a delay circuit composed of inverter INV and capacitor C <b> 10 are used for timing signal for switching the connection of the upper electrode of capacitor C <b> 1 and for switching the connection of the lower electrode. A timing generation circuit for generating a timing signal. The MOS M21 is a voltage clamping MOS that suppresses the voltage rise at the node N2 and assists the reverse boost of the capacitor C2. The diode-connected MOSs M23 to M25 are limiter circuits that prevent the voltage at the node N2 from dropping too much. is there. The MOS M21 is a voltage clamping MOS that suppresses the voltage rise at the node N1 and assists the reverse boost of the capacitor C1, and the diode-connected MOSs M13 to M16 are limiter circuits that prevent the voltage at the node N2 from dropping too much. is there.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the negative voltage generating circuit as described above uses the output transfer MOS Mout1 whose gate is coupled to the drain to output the negative voltage generated in the capacitor C1, it is output from the output transfer MOS Mout1. The negative voltage becomes a difference voltage (Vg−Vth) between the gate voltage Vg and the threshold voltage Vth of the MOSFET, and becomes a voltage higher by, for example, 1 V than the negative voltage generated in the capacitor C1.
[0007]
When trying to generate an off-voltage of the PLED memory using this negative voltage generation circuit, a voltage of about 4V to 5V is required as a power supply voltage. However, in recent years, the external power supply is generally reduced to about 3V. In such a situation, there is a problem that a necessary off voltage cannot be generated.
[0008]
Further, by providing a plurality of stages of the negative voltage generation circuit as described above, the negative voltage generated in the first stage is used as the voltage on the negative side of the second stage, so that a lower voltage can be obtained from the negative voltage generation circuit in the second stage. Although it is conceivable that the charge pump circuit is stacked in a plurality of stages as described above, there is a problem that the voltage supply efficiency and the start-up characteristic are deteriorated.
[0009]
As other conventional techniques applicable as a negative voltage generating circuit, there are booster circuits disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-189970 and 11-328957. The configuration of such a booster circuit is used as a negative voltage generating circuit. There was no application.
[0010]
An object of the present invention is to provide a negative voltage generation circuit that is excellent in voltage supply efficiency and start-up characteristics, and that can generate a negative voltage of about -3 V using a low power supply voltage of about 3 V.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device that uses such a negative voltage generation circuit to make the refresh interval very long and virtually eliminate the need for a refresh operation.
[0012]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Outlines of representative ones of the inventions disclosed in the present application will be described as follows.
[0014]
That is, it has at least a first capacitor for generating a negative voltage, and switch means for switching a connection state between the two electrodes of the first capacitor and the first power source on the positive electrode side and the second power source on the negative electrode side, The first charge pump circuit for generating a first negative voltage lower than the voltage of the second power source at one electrode of the first capacitor by switching, a plurality of capacitors, and the plurality of capacitors are connected to the positive-side first Switch means for switching between a state where one power supply and a second power supply on the negative electrode side are connected in parallel and a state where these capacitors are connected in series are connected in series by switching the switch means A second charge pump circuit for generating a second negative voltage lower than the voltage of the second power supply on one end side of the formed capacitor, wherein the second capacitor of the plurality of capacitors includes a first node and a second node. Connection with other nodes One end of the third capacitor among the plurality of capacitors is connected to the third node, the other end is connected to the first node via a delay inverter, and the first node A second charge comprising a first P-channel MOSFET connected between the first power supply and a first N-channel MOSFET connected between the first node and the third node; Backflow prevention for receiving the second negative voltage generated by the pump circuit and the second charge pump circuit at the gate and outputting the first negative voltage generated by the first charge pump circuit between the source and the drain And an output transfer MOS transistor for the negative voltage generating circuit. An output transfer MOS transistor connected between the output terminal and the fourth node and having a control terminal connected to the second node; and an input signal for receiving the input signal and setting the potential of the fourth node to a negative potential. And a second charge pump circuit that receives an input signal and sets the second node to a negative potential, 1 A first capacitor connected between the second node and the second node, one end connected to the third node, and the other end via the delay inverter. 1 A second capacitor connected to the node, and the second capacitor 1 Nodes and Positive side A first P-channel MOSFET connected between the first power source and the first power source; 1 And a second charge pump circuit including a first N-channel MOSFET connected between the second node and the third node.
[0015]
According to such means, the second charge pump circuit can generate a voltage much lower than that of the first charge pump circuit, and this voltage is used as the voltage for driving the gate of the output transfer MOS. The first negative voltage generated by the charge pump circuit can be output via the output transfer MOS without increasing the voltage. Therefore, a negative voltage of -3V can be generated using, for example, an external power supply of 3V without reducing the voltage supply efficiency and startup characteristics.
[0016]
Preferably, the switch means of the first charge pump circuit includes a second P-channel MOSFET having a common drain connected to one electrode of the first capacitor and a source connected to a first power source, and a source. A second N-channel MOSFET connected to the second power supply and a precharge MOS connected to the other electrode of the first capacitor and switching the other electrode and the second power supply to a connected or disconnected state FET It is good to be composed of
[0017]
More preferably, The other end of the third capacitor is connected to the first node via a delay inverter, Common drain of the second P-channel MOSFET and the second N-channel MOSFET Connect to It is good to be configured.
[0018]
Preferably, the control terminal is connected between the second node and the second power source, and the control terminal is the precharge MOS. FET A third P-channel MOSFET connected to the control terminal of the second power source, and the third P-channel MOSFET connected between the third node and the second power source. FET A fourth P-channel MOSFET connected to the control terminal of the precharge MOS, FET And a fifth P-channel MOSFET for clamping that lowers the potential of the control terminal to the vicinity of the voltage of the second power supply.
[0019]
Also, a read MOS transistor that holds the information voltage at the gate terminal, a write transistor that applies the information voltage to the gate terminal, and Said A capacitor having one electrode connected to the gate terminal and controlling a voltage of the gate terminal; Said Control terminal for write transistor and Said The other electrode of the capacitor is connected to the word line, Said Data input terminal of the writing transistor and the reading MOS In a semiconductor memory device including a memory cell in which a source terminal or a drain terminal of a transistor is connected to a data line, when the memory cell is not selected Said The above-described negative voltage generation circuit may be applied as a circuit for generating a voltage supplied to the word line.
[0020]
By supplying a negative voltage when not selected in this way, the information voltage held at the gate terminal of the read MOS transistor can be held for a very long time.
[0021]
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a preferred negative voltage generating circuit to which the present invention is applied. The negative voltage generation circuit of this embodiment includes a capacitor C1, a first charge pump circuit including a precharge MOS M1 corresponding to the capacitor C1 and inverters INV1 to INV3, a plurality of capacitors C3 and C4, and corresponding precharge transistors. A second charge pump circuit comprising charge MOSs M3 and M4, connection switching P-channel MOS MP1 and N-channel MOSMN1, delay inverter INV4, and the like, and gate driving of the precharge MOSs M1, M3 and M4 A capacitor C2 for generating a reverse voltage, an output transfer MOSMout1 for outputting a negative voltage generated by the first charge pump circuit and preventing a reverse current flow, NOR circuits 10 and 11, a NAND circuit 12, Inverter INV for delay And a and a timing generation circuit consisting of the capacitor C10. The capacitor C4 is connected between the node N5 that is the first node and the node N3 that is the second node. The capacitor C3 has one end connected to the node N4, which is the third node, and the other end connected to the node N5 via the delay inverter INV4.
[0022]
In addition, the negative voltage generation circuit assists the reverse boost action of the first charge pump circuit, 4 A clamp MOS M11 that pulls down the voltage of the node N1 to near the negative power supply voltage VSS (for example, ground potential). 4 A limiter circuit composed of diode-connected MOSs M13 to M16 for limiting a voltage drop when an excessive negative voltage is generated at the node N1 for some reason, and a second node N2 for assisting the reverse boosting action of the capacitor C2. Clamp MOS M21 that lowers the voltage near the negative power supply voltage VSS, and diode-connected MOSs M23 to M25 that limit the voltage drop below that when the voltage at the second node N2 is excessively negative for some reason A limiter circuit or the like is provided.
[0023]
The inverter INV1 that charges and discharges the capacitor C1 in the first charge pump circuit is designed to have a large driving force in accordance with the capacitor C1. The preceding inverters INV2 and INV3 are designed so that the driving force gradually increases in order to drive the inverter INV1 having a large driving force. When the precharge MOS M1 is in the on state, the upper electrode of the capacitor C1 is charged to the power supply voltage VCC by the inverter INV1, and then the precharge MOS M2 is turned off to connect the upper electrode of the capacitor C1 to the negative voltage by the inverter INV1. By knocking down to the power supply voltage VSS, a reverse voltage is boosted to the lower electrode of the capacitor C1 to a negative voltage (−2 × (VCC−VSS)) that is twice the power supply voltage.
[0024]
The second charge pump circuit generates a plurality of capacitors C3 and C4 in individual capacitors by reverse boosting action by switching from a state in which the capacitors C3 and C4 are connected in parallel between the power supply voltages VCC and VSS to a state in which they are connected in series. The voltage obtained by adding the negative voltage 2 It is generated at the node N3.
[0025]
That is, when the precharge MOSs M3 and M4 are in the on state, the inverter INV4 for one capacitor C3 and the P-channel MOS MP1 for the other capacitor C4 are turned on, so that the upper portions of the capacitors C3 and C4 The electrode is charged to the power supply voltage VCC. Next, the precharge MOSs M3 and M4 are turned off, and the P channel MOS MP1 is turned off and the N channel MOS MN1 is turned on, so that the lower electrode of the capacitor C3 and the upper electrode of the capacitor C4 are connected. . Further, the inverter INV4 knocks down the upper electrode of the capacitor C3 to the negative power supply voltage VSS, so that the two capacitors C3 and C4 are connected in series and are subjected to a reverse boost action, and the power supply voltage is applied to the lower electrode of the capacitor C4. Negative voltage (−2 × (VCC−VSS)) is generated.
[0026]
The delay inverter INV4 adjusts the timing so that the reverse boost operation of the cascaded capacitors C3 and C4 is performed at the timing when the precharge MOS M3 is completely turned off.
[0027]
The negative voltage generated by the first charge pump circuit is supplied to the drain terminal of the output transfer MOS Mout1, and the negative voltage generated by the second charge pump circuit is applied to the gate terminal of the output transfer MOS Mout1. Since the negative voltage applied to the gate terminal is much lower than the negative voltage output to the drain terminal, the negative voltage of the first charge pump circuit is output from the source terminal of the output transfer MOS Mout1 with almost no voltage increase.
[0028]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of a preferred negative voltage generating circuit to which the present invention is applied.
The negative voltage generating circuit of the second embodiment is an example in which a countermeasure against the withstand voltage of the gate of the N-channel MOS MN2 that connects the two capacitors C3 and C4 of the second charge pump circuit in series is taken. Since the source terminal of the N-channel MOS MN2 is connected to the lower electrode of the capacitor C3, a negative power supply voltage VSS or a negative voltage (VSS-VCC) at the time of reverse boost is applied thereto. Therefore, when the output voltage of the NOR circuit 11 is applied to the gate terminal, the gate-source voltage becomes very large during reverse boost. Therefore, in this embodiment, the gate of the N-channel MOS MN2 is connected to the negative power supply voltage VSS so that an excessive voltage is not applied between the gate and the source.
[0029]
According to such a configuration, at the time of reverse boost, the potential of the lower electrode of the capacitor C3 becomes lower than the power supply voltage VSS, so that the N-channel MOS MN2 is automatically turned on, and the first embodiment of FIG. The substantially same operation as that of the circuit is performed.
[0030]
However, since the timing at which the N-channel MOS MN2 is turned on is delayed by that amount, the signal at the common drain of the N-channel MOS MN2 and the P-channel MOS MP1 cannot be used as a signal for reverse boosting the capacitor C2 at the subsequent stage. . Therefore, in this embodiment, the charging and discharging of the upper electrode of the capacitor C3 is performed by the inverter IN1 that charges and discharges the capacitor C4 of the first charge pump circuit. In this configuration, since the delay action is exerted by the inverters IN1 to INV3, the charge / discharge timing of the capacitor C3 is substantially the same as that of the circuit of the first embodiment of FIG.
[0031]
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a transmission circuit for supplying a clock signal to the negative voltage generation circuit.
The circuit of FIG. 3 is an example of an oscillation circuit that supplies the clock signal OSC to the NOR circuit 10 of the timing generation circuit in the negative voltage generation circuit of FIGS. 1 and 2, and is an inverter ring type oscillator. When the active signal ACTB is low level and the low level, the NMOS of the first stage inverter INV10
MN10 is turned on, and the inverter ring performs a transmission operation.
[0032]
In this transmission circuit, MOS MT1 to MT4 formed in the second to fifth stage inverters INV12 to INV15 are formed with different element sizes between P channel types or N channel types, By selecting the MOSFET to be turned on and the MOSFET to be turned off among the MOSs MT1 to MT4 by the signal MODE2, the delays of the inverters INV12 to INV15 are changed so that the oscillation frequency can be switched between two ways. It has become.
[0033]
Next, the operation principle of the second charge pump that generates the gate drive voltage of the output transfer MOS Mout1 in the negative voltage generation circuit shown in FIGS. 1 and 2 will be described in a simplified manner.
[0034]
FIG. 4 is a diagram schematically showing a multiple boost type charge pump circuit in order to explain the negative voltage generation principle of the second charge pump circuit described above.
As shown in FIG. 4A, this charge pump circuit is shown in FIG. 4B from the state where four capacitors C21 to C24 are connected in parallel between the positive and negative power supply voltages VCC and VSS. Thus, the four capacitors C21 to C24 are converted into a state of being connected in series, and the negative power supply voltage VSS is connected to the high potential side electrodes of the four capacitors C21 to C24 connected in series. This is a circuit for generating a negative voltage with a low potential at the electrode on the low potential side.
[0035]
In FIG. 4, S1 to S4 and S31 to S34 are switches for switching the connection states of the capacitors C21 to C24 as described above, and Co is a load capacitance at the output node Nout.
[0036]
FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms at each node in the charge pump circuit of FIG. In FIG. 5, an initial state (1) in which the switches S1 to S4 are on and the switches S31 to S34 are connected to the left terminal TL, and the switches S1 to S4 are on and the switches S31 to S34 are connected to the upper terminal TU. The operation waveforms are divided into a connected charging period {circle around (2)} and a discharging period {circle around (3)} in which the switches S1 to S4 are off and the switches S31 to S34 are connected to the left terminal TL.
[0037]
First, in the initial state (1), the potentials of the nodes N21 to N24 and the output node Nout of the upper electrodes of the capacitors C21 to C24 are the negative power supply voltage VSS (0 V).
[0038]
Next, when the charging period {circle over (2)}, the four capacitors C21 to C24 are charged, and the potentials of the nodes N21 to N24 of the upper electrodes are raised from 0V to the positive power supply voltage VCC.
[0039]
Next, in the discharge period (3), the upper electrode of the first capacitor C21 is connected to the power supply voltage VSS, so that the potential of the node N21 drops to the voltage VSS (0 V). In addition, the potential of the node N22 of the upper electrode of the second capacitor C22 connected to the lower electrode of the first capacitor C21 is such that the charge charged in the capacitor C21 slightly moves toward the load capacitor Co. The voltage between both poles of the capacitor C21 is somewhat reduced to −η × VCC. Here, Cη = 4C / (4Co + C) and C = C21 + C22 + C23 + C24. C21 to C24 and Co indicate capacitance values of the capacitors C21 to C24 and Co, respectively.
[0040]
Similarly, the potential of the node N23 connected to the lower electrode of the second capacitor C22 is −η × 2VCC, the potential of the node N24 connected to the lower electrode of the third capacitor C23 is −η × 3VCC, and the fourth The potential of the output node Nout connected to the lower electrode of the capacitor C24 is −η × 4VCC, and a very low negative voltage can be obtained with high efficiency and high speed. Furthermore, it is possible to generate a lower negative voltage by increasing the number of stages of the plurality of capacitors.
[0041]
FIG. 6 shows a MOS configuration diagram of a charge pump circuit in which the number of capacitor stages in the circuit of FIG.
6, CA1 to CAn are n-stage capacitors, MS1 to MSn are precharge MOSs corresponding to the switches S1 to S4 in FIG. 4, and INVS31 to INVS3n are CMOS inverter switches corresponding to the switches S31 to S34 in FIG. It is.
[0042]
The limiter circuit including the NOR circuits 10 and 11, the NAND circuit 12, the capacitor C2, the clamp MOS M21, and the MOSs M23 to M25 is the same as that shown in FIG. The delay circuit 13 provided in front of the NOR circuit 11 and the NAND circuit 12 corresponds to the delay circuit including the inverter INV and the capacitor C10 in FIG. 1, and is provided in front of the first-stage inverter switch INVS31. The delay circuit 14 corresponds to the delay action of the inverter INV4 and the MOS MP1 and MN1 in FIG.
[0043]
FIG. 7 shows a signal waveform diagram of each node in the charge pump circuit.
According to such a charge pump circuit, the output NS1 of the NAND circuit 12 becomes a low level after the delay of the delay circuit 13 has elapsed from the fall of the externally input clock signal OSC, and then the rise of the clock signal OSC. Immediately goes high. On the other hand, the output NS3 of the NOR circuit 11 becomes low level immediately after the fall of the clock signal OSC inputted externally, and becomes high level after the delay of the delay circuit 13 has elapsed from the rise of the clock signal OSC. In this way, a narrow timing pulse for operating the precharge MOSs MS1 to MSn connected to the lower electrode side of each of the capacitors CA1 to CAn and a width for operating the inverter switches INVS31 to INVS3n connected to the upper electrode side. Wide timing pulses are generated.
[0044]
Thus, similarly to the reverse boost operation shown in FIG. 5, the reverse boost operation by the n-stage capacitors CA1 to CAn occurs, and a negative voltage of −η × n × VCC is generated at the output node Nout.
[0045]
The delay circuit 14 provided on the front stage side of the first stage capacitor CA1 performs the reverse boost operation of the cascaded capacitors CA1 to CAn at the timing when the precharge MOSs MS1 to MSn are completely turned off. To match the timing.
[0046]
FIG. 8 is a circuit diagram of an example in which an output transfer MOS Mout2 is added to the charge pump circuit of FIG. 6, and FIG. 9 is a diagram showing signal waveforms at each node in the charge pump circuit.
[0047]
As shown in FIG. 8, when the output transfer MOS Mout2 is added before the output node Nout, the negative voltage generated by the reverse boosting action of the n-stage capacitors CA1 to CAn charges the load capacitance Co. Since the load capacitance Co is maintained without reverse flow, the negative boost voltage is lowered until the charge voltage of the load capacitance Co is finally saturated by repeating the reverse boost operation of the n-stage capacitors CA1 to CAn. I will do it. In the saturated state, the potential of the node NGn of the lower electrode of the n-th capacitor CAn is −n × VCC because there is no charge transfer to the load capacitance Co, and the potential of the output node Nout is the output transfer MOS Mout2. The potential is higher by the threshold voltage Vth of −n × VCC + Vth.
[0048]
FIG. 10 is a circuit diagram showing an example in which the N-channel MOSFET and the precharge MOS are withstand voltage countermeasures in the charge pump circuit of FIG. 6, and FIG. 11 is a diagram showing signal waveforms at each node in this circuit.
[0049]
In the charge pump circuit of FIG. 6, negative voltages (−η × VCC) to (−η × n × VCC) are applied to the source terminals of the NMOS MN32 to MN3n of the second to n-th stage inverter switches INVS32 to INVS3n. Since the voltage is applied, a large voltage is applied between the gate and source of the NMOS MN32 to MN3n. Similarly, since negative voltages (−η × VCC) to (−η × n × VCC) are applied to the drain terminals of the precharge MOSs MS1 to MSn, between the gates and drains of the precharge MOSs MS1 to MSn. A large voltage is applied.
[0050]
In the charge pump circuit of FIG. 10, in order to increase the gate-source breakdown voltage of the NMOS MN32 to MN3n, the gate terminals of the NMOS MN32 to MN3n are connected to inverter switches INVS31, INVS32. Are connected to the source terminals of NMOS MN31, MN32. With this connection, the gate-source voltages of the NMOSs MN32 to MN3n are approximately within the power supply voltage VCC, and gate breakdown can be prevented. Also, the capacitors CA1, CA2,. .
[0051]
In addition, in order to increase the gate-drain breakdown voltage of the precharge MOSs MS1 to MSn, capacitors CC1 to CCn are provided between the gates and drains of the precharge MOSs MS1 to MSn, and clamp MOSs M21 and Limiter circuits L1 to Ln are provided. The limiter circuits L1 to Ln are set to a limiting voltage corresponding to the magnitude of the negative voltage generated at the drain terminals of the precharge MOSs MS1 to MSn.
[0052]
According to such a configuration, as shown in the signal waveform of the node NS2n in FIG. 11, at the timing when the negative voltage is generated in the lower electrodes of the capacitors CA1 to CAn in a plurality of stages due to the reverse boost action, the negative voltage is It is transmitted to the gate terminal side of the precharge MOSs MS1 to MSn via the capacitors CC1 to CCn. Therefore, the gate-drain voltage does not exceed a predetermined value, and gate breakdown can be prevented. In addition, since the gate voltage does not become lower than the set value by the limiter circuits L1 to Ln, the precharge MOSs MS1 to MSn are controlled to be off during this period, and normal operation as the precharge MOS is obtained.
[0053]
As described above, the circuit for generating a negative voltage by switching a plurality of capacitors from a parallel connection to a series connection has been described with some variations. Such a circuit is illustrated in the second precharge of FIGS. It can be applied as a circuit. Further, the present invention may be applied to the first precharge circuit that generates an output negative voltage.
[0054]
FIG. 12 is a circuit block diagram showing a PLED memory useful by applying the above-described negative voltage generation circuit.
[0055]
This PLED memory is described in detail in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-113683. Although details are omitted, a read transistor QR composed of an N-channel MOSFET, a write transistor QW composed of a tunnel transistor, and A plurality of memory cells MC having a coupling capacitor C for controlling the gate voltage of the read transistor QR, and a source voltage control circuit SVC for controlling the source voltage supplied to each memory cell MC via the source line SL; A data control register DCR that supplies three levels of voltages at the time of writing, reading and non-selection to a plurality of word lines WL to which each memory cell MC is coupled for each row, and each data line before the read operation Precharge MOS Qp for precharging to a predetermined voltage VDD, complementary before read operation A pair of data input / output lines I / O and I / OB are precharge MOS Qp2 for precharging to a predetermined voltage VDD / 2, and a data line DL of a selected column is connected to the data input / output lines I / O and I / OB. Column switch Qy, a sense amplifier SA that amplifies a data signal read to a pair of data input / output lines I / O and I / OB, an input / output data buffer DB that inputs / outputs data to / from the outside, etc. It has.
[0056]
In the memory cell MC, one electrode of the coupling capacitor C and the gate of the writing transistor QW are connected to the word line WL, and one data terminal (for example, source or drain) of the reading transistor QR and the writing transistor QW One data terminal (for example, source or drain) is connected to the data line DL.
[0057]
The tunnel transistor used for the write transistor QW is a vertical transistor in which gate electrodes are arranged on both sides of a plurality of stacked layers (for example, four layers) of polysilicon via a gate oxide film. A tunnel film made of, for example, a thin silicon nitride film is formed between the polysilicon layers.
[0058]
In such a memory cell MC, the stored data is held at the connection node NM to which the gate electrode of the read transistor QR is connected. Since the connection node NM has a structure surrounded by an insulating film, there is no problem that a leakage current is generated from the pn junction or the stored data is inverted due to a soft error unlike a DRAM cell. When the memory cell MC is not selected, a constant off voltage is applied to the gate of the write transistor QW to sufficiently turn off the write transistor QW, so that the stored data signal flows to the data line DL. Can be kept low enough. Therefore, the data retention time of the memory cell MC becomes long, so that the necessary refresh time can be made extremely long, or the refresh operation is not necessary and can be made virtually non-volatile.
[0059]
In this semiconductor memory, it is the data control register DCR that applies the above-mentioned off-voltage to the word line WL when the memory cell MC is in a non-selected state. A circuit NVG is used.
[0060]
As described above, according to the negative voltage generation circuit of FIGS. 1 and 2, the first charge pump circuit that performs the two-stage reverse boost using the capacitors C3 and C4 causes the capacitor C1 to generate the reverse boost voltage. Since a voltage much lower than that of the charge pump circuit is generated and this voltage is used as a voltage for driving the gate of the output transfer MOS Mout1, the first negative voltage generated by the first charge pump circuit is increased in voltage. Can be output via the output transfer MOS Mout1. Therefore, a negative voltage of -3V can be generated using, for example, an external power supply of 3V without reducing the voltage supply efficiency and startup characteristics.
[0061]
Further, according to the negative voltage generating circuit of FIG. 2, the gate terminal of the NMOS MN2 corresponding to the second capacitor C4 of the second charge pump circuit that performs the two-stage boost is connected to the power supply voltage VSS. Compared to the case of FIG. 1 coupled to the gate terminal of MP1, the voltage applied between the gate and source of the NMOS MN2 or between the gate and drain can be reduced, and the breakdown voltage of the circuit can be increased.
[0062]
Further, according to the negative voltage generation circuit of FIG. 1 or FIG. 2, the timing of charging / discharging the first capacitor C3 of the second charge pump circuit that performs the two-stage boost is set to the timing of the second capacitor C4 by the inverters INV4 and INV4. Since the delay is further delayed, the negative voltage can be generated stably and efficiently.
[0063]
The invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor.
[0064]
For example, in the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the first charge pump circuit for generating the output voltage using the capacitor C1 has a single capacitor C1. A charge pump circuit that switches a plurality of capacitors from parallel to serial can also be applied.
[0065]
In the above description, the off-voltage generation circuit of the PLED memory, which is a field of use that is based on the invention made by the present inventor, has been described. However, the present invention is not limited to this and requires a negative voltage. It can be widely used for semiconductor integrated circuits.
[0066]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0067]
That is, according to the present invention, a voltage much lower than that of the first charge pump circuit is generated by the second charge pump circuit, and this voltage is used as a voltage for driving the gate of the output transfer MOS. The first negative voltage generated in the pump circuit can be output via the output transfer MOS without increasing the voltage. Therefore, there is an effect that a negative voltage of −3 V can be generated using, for example, an external power supply of 3 V without reducing the voltage supply efficiency and the start-up characteristics.
[0068]
Furthermore, in the second charge pump circuit that generates a negative voltage using a plurality of capacitors, the gate terminal of the N-channel MOSFET that connects one electrode of the capacitor in the former stage to the other electrode of the capacitor in the latter stage is connected to the first electrode on the negative electrode side. By being configured to be connected to the two power supplies or the source terminal of the N-channel MOSFET corresponding to the capacitor in the previous stage, there is an effect that the breakdown voltage of the N-channel MOSFET can be improved.
[0069]
In addition, according to the semiconductor memory device of the present invention, a low-voltage power supply of about 3 V is used by applying the negative voltage generation circuit as described above as an off-voltage generation circuit that is applied to unselected word lines. Even in such a case, there is an effect that an appropriate off voltage can be generated to make the refresh interval very long, or the refresh operation can be made unnecessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of a preferred negative voltage generating circuit to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of a preferred negative voltage generating circuit to which the present invention is applied.
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a transmission circuit that supplies a clock signal to a negative voltage generation circuit.
FIG. 4 is a simplified diagram of a charge pump circuit illustrating a negative voltage generation principle of a second charge pump circuit.
FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms at each node in the circuit of FIG. 4;
6 is a MOS configuration diagram of a charge pump circuit in which the number of capacitor stages is configured to be n in accordance with the operation principle of FIG. 4;
7 is a diagram showing signal waveforms at each node in the charge pump circuit of FIG. 6;
8 is a circuit diagram showing an example in which an output transfer MOS is added to the charge pump circuit of FIG. 6;
9 is a diagram showing signal waveforms at each node in the charge pump circuit of FIG. 8;
10 is a circuit diagram showing an example in which a countermeasure against withstand voltage is taken for the N-channel MOSFET and the precharge MOS in the circuit of FIG. 6;
11 is a diagram showing signal waveforms at each node in the charge pump circuit of FIG. 10;
FIG. 12 is a circuit block diagram showing a PLED memory to which the negative voltage generation circuit of the embodiment is applied.
FIG. 13 is a circuit diagram showing an example of a negative voltage generation circuit previously examined by the inventors as a circuit for generating an off voltage of a PLED memory.
[Explanation of symbols]
C1 Capacitor of the first charge pump circuit
C3, C4 Capacitor of second charge pump circuit
INV1-INV3 CMOS inverter
INV4 delay inverter
M1, M3, M4 Precharge MOS
MP1 P-channel MOSFET
MN1, MN2 N-channel MOSFET
Mout1 output transfer MOS

Claims (6)

負電圧発生用の第1容量と、該第1容量の2つの電極と正極側の第1電源および負極側の第2電源との接続状態を切り換えるスイッチ手段とを少なくとも有し、スイッチ手段の切換により第1容量の一方の電極に前記第2電源の電圧より低い第1の負電圧を発生させる第1のチャージポンプ回路と、
複数の容量と、これら複数の容量を正極側の第1電源と負極側の第2電源との間に並列的に接続する状態とこれら複数の容量を直列的に接続する状態とに切り換えるスイッチ手段とを有し、該スイッチ手段の切換により直列的に接続された容量の一端側に前記第2電源の電圧より低い第2の負電圧を発生させる第2のチャージポンプ回路であって、前記複数の容量のうち第2容量は第1のノードと第2のノードとの間に接続され、前記複数の容量のうち第3容量の一端は第3のノードに接続されると共に他端は遅延用インバータを介して前記第1のノードに接続され、さらに、前記第1のノードと前記第1電源との間に接続された第1のPチャネルMOSFET、及び、前記第1のノードと前記第3のノードとの間に接続された第1のNチャネルMOSFETを備える第2のチャージポンプ回路と、
前記第2のチャージポンプ回路で発生した第2の負電圧をゲートに受けて、前記第1のチャージポンプ回路で発生した第1の負電圧をソース・ドレイン間を通して出力する逆流防止用の出力トランスファMOSトランジスタと、
を備えていることを特徴とする負電圧発生回路。
A first capacitor for generating a negative voltage; and at least switch means for switching a connection state between the two electrodes of the first capacitor and the first power source on the positive electrode side and the second power source on the negative electrode side. A first charge pump circuit for generating a first negative voltage lower than the voltage of the second power source at one electrode of the first capacitor by:
Switch means for switching between a plurality of capacitors and a state in which the plurality of capacitors are connected in parallel between a first power source on the positive electrode side and a second power source on the negative electrode side and a state in which the plurality of capacitors are connected in series And a second charge pump circuit for generating a second negative voltage lower than the voltage of the second power source on one end side of the capacitors connected in series by switching of the switch means, the second volume of the capacity is connected between the first node and the second node, one end of the third capacitor of the plurality of capacitance is connected to the third node, the other end delay And a first P-channel MOSFET connected to the first node via an inverter, and connected between the first node and the first power source, and the first node and the first node. First N-channel connected between the three nodes A second charge pump circuit comprising a channel MOSFET,
An output transfer for backflow prevention that receives the second negative voltage generated by the second charge pump circuit at the gate and outputs the first negative voltage generated by the first charge pump circuit through between the source and the drain. A MOS transistor;
A negative voltage generating circuit comprising:
前記第1のチャージポンプ回路のスイッチ手段は、前記第1容量の一方の電極にそれぞれ共通ドレインが接続されるとともにソースが前記第1電源に接続された第2のPチャネルMOSFETおよびソースが前記第2電源に接続された第2のNチャネルMOSFETと、前記第1容量の他方の電極に接続され、該他方の電極と前記第2電源とを接続又は切断の状態に切り換えるプリチャージMOSFETとから構成されることを特徴とする請求項1記載の負電圧発生回路。The switch means of the first charge pump circuit includes a second P-channel MOSFET having a common drain connected to one electrode of the first capacitor and a source connected to the first power source, and a source connected to the first power source. A second N-channel MOSFET connected to two power sources, and a precharge MOS FET connected to the other electrode of the first capacitor and switching the other electrode and the second power source to a connected or disconnected state. The negative voltage generation circuit according to claim 1, wherein the negative voltage generation circuit is configured. 前記第3容量の他端は、遅延用インバータを介して前記第1のノードに接続される代わりに、前記第2のPチャネルMOSFET及び前記第2のNチャネルMOSFETの共通ドレインに接続されることを特徴とする請求項2記載の負電圧発生回路。 The other end of the third capacitor is connected to the common drain of the second P-channel MOSFET and the second N-channel MOSFET instead of being connected to the first node via a delay inverter. The negative voltage generation circuit according to claim 2. 前記第2のノードと前記第2の電源との間に接続され、制御端子が前記プリチャージMOSFETの制御端子と接続された第3のPチャネルMOSFETと、
前記第3のノードと前記第2の電源との間に接続され、制御端子が前記プリチャージMOSFETの制御端子と接続された第4のPチャネルMOSFETと、
前記プリチャージMOSFETの制御端子の電位を、前記第2の電源の電圧近傍まで引き下げるクランプ用の第5のPチャネルMOSFETと、をさらに備えることを特徴とする請求項2又は3記載の負電圧発生回路。
A third P-channel MOSFET connected between the second node and the second power supply and having a control terminal connected to a control terminal of the precharge MOS FET ;
A fourth P-channel MOSFET connected between the third node and the second power supply and having a control terminal connected to the control terminal of the precharge MOS FET ;
4. The negative voltage according to claim 2, further comprising: a fifth P-channel MOSFET for clamping that lowers the potential of the control terminal of the precharge MOS FET to the vicinity of the voltage of the second power supply. Generation circuit.
出力端と第4のノードとの間に接続され制御端子が第2のノードに接続された出力トランスファMOSトランジスタと、
入力信号を受け、前記第4のノードの電位を負電位にする第1のチャージポンプ回路と、
入力信号を受け、前記第2のノードを負電位にする第2のチャージポンプ回路であって、第のノードと第2のノードとの間に接続される第1の容量と、一端が第3のノードに接続されると共に、他端が遅延用インバータを介して前記第のノードに接続される第2の容量と、前記第のノードと正極側の第1電源との間に接続された第1のPチャネルMOSFET及び前記第のノードと前記第3のノードとの間に接続された第1のNチャネルMOSFETとを含む第2のチャージポンプ回路と、を備えることを特徴とする負電圧発生回路。
An output transfer MOS transistor connected between the output terminal and the fourth node and having a control terminal connected to the second node;
A first charge pump circuit that receives an input signal and sets the potential of the fourth node to a negative potential;
A second charge pump circuit for receiving an input signal and setting the second node to a negative potential; a first capacitor connected between the first node and the second node; It is connected to the third node, connected between the second capacitor and the other end is connected to said first node through a delay inverter, a first power source of the first node and the positive side And a second charge pump circuit including a first P-channel MOSFET and a first N-channel MOSFET connected between the first node and the third node. Negative voltage generator.
情報電圧をゲート端子に保持する読出し用MOSトランジスタ、該ゲート端子に情報電圧を与える書込み用トランジスタ、および前記ゲート端子に一方の電極が接続され該ゲート端子の電圧を制御するキャパシタとを有し、前記書込み用トランジスタの制御用端子と前記キャパシタの他方の電極とがワード線に接続され、前記書込み用トランジスタのデータ入力用端子と前記読出し用MOSトランジスタのソース端子又はドレイン端子とがデータ線に接続されてなるメモリセルを備えた半導体記憶装置において、
メモリセルの非選択時に前記ワード線に供給される電圧を生成する回路として請求項1〜5の何れかに記載の負電圧発生回路が設けられていることを特徴とする半導体記憶装置。
A read MOS transistor for holding the information voltage at the gate terminal, a write transistor for applying the information voltage to the gate terminal, and a capacitor for controlling one of the electrodes connected to the gate terminal and controlling the voltage of the gate terminal; The control terminal of the write transistor and the other electrode of the capacitor are connected to a word line, and the data input terminal of the write transistor and the source terminal or drain terminal of the read MOS transistor are connected to a data line. In a semiconductor memory device having a memory cell formed,
6. A semiconductor memory device comprising the negative voltage generation circuit according to claim 1 as a circuit for generating a voltage supplied to the word line when a memory cell is not selected.
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