JP5100780B2 - レベルシフタ、集積回路、システム、およびレベルシフタの動作方法 - Google Patents

レベルシフタ、集積回路、システム、およびレベルシフタの動作方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体回路分野に関し、特に、レベルシフタ、集積回路、システム、およびレベルシフタの動作方法に関するものである。
フラッシュメモリは、各種の電子アプリケーションに用いられている。フラッシュメモリは、例えばアプリケーションプログラムなどの保存されたデータに対するランダムアクセスを提供することができる。データは、何度もフラッシュメモリへの書き込みとフラッシュメモリセルからの読み出しをすることができる。典型的なフラッシュメモリセルは、スタックド(積層)ゲートを備えた変更MOSトランジスタである。スタックドゲートは、制御ゲートとフローティングゲートを含む。制御ゲートは、トランジスタのオンとオフを切り換えるのに用いられ、よってドレインからソースに流れる電流を制御する。フローティングゲートは、制御ゲートとデバイスチャネル(device channel)間に位置される。電荷は、フローティングゲートを囲む絶縁材料により捕捉されたフローティングゲートに注入するか、フローティングゲートから引き抜くことができる。フラッシュトランジスタセル(flash transistor cell)のしきい値は、フローティングゲートの充電状態に対して変化する。バイナリデータ値は、フローティングゲートの充電状態に基づいて各フラッシュセルに保存される。
フローティングゲートの充電または放電のプロセスは、消去またはプログラミングといわれる。フラッシュセルの消去またはプログラミングは、電子がフローティングゲート電極と充電ソース間の、例えば酸化物層によって生じたエネルギー障壁を克服することを必要とする。電子のエネルギーレベルは、障壁の両端に相対的に大きい電圧を強制印加することで、このエネルギー障壁値以上に上げられる。例えば、フラッシュセルは、フローティングゲートから制御ゲート内に電子を注入することで消去することができる。制御ゲートは、大きな正電圧が印加され、フローティングゲートは、低電圧または負電圧に容量結合される。同様に、デバイスのドレイン、ソース、またはチャネル領域は、プログラムおよび消去中に、電子を吹き出し(to source)または吸い込み(to sink)するのに用いることができる。
レベルシフタ、集積回路、システム、およびレベルシフタの動作方法を提供する。
本発明の一態様によれば、第1電圧状態から第2電圧状態への第1状態遷移を含む入力電圧信号を受けるように構成された入力端、第3電圧状態から入力電圧信号の第1状態遷移に対応した第2電圧状態への第2状態遷移を有する出力電圧信号を出力するように構成された出力端、入力端と出力端の間に結合され、第1トランジスタと第2トランジスタを備えたドライバ段、入力端に結合されたインバータ、インバータと結合され、ドレイン端とソース端を有する第3トランジスタであって、この第3トランジスタのドレイン端は昇圧された電圧を与えることができるラインに結合されること、出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第4トランジスタであって、この第4トランジスタのソース端はラインに結合されること、出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第5トランジスタであって、この第5トランジスタのソース端は第3及び第4トランジスタに結合されること、及び出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第6トランジスタであって、この第6トランジスタのドレイン端は、第5トランジスタのドレイン端と、第1及び第2トランジスタのゲートに結合されることを含むレベルシフタを提供する。
模範的な集積回路を示している概略図である。 入力電圧信号の状態遷移とドライバ段の第1トランジスタのゲートに印加される電圧状態を示しているシミュレーションの結果である。 模範的なレベルシフタのリーク電流を示しているシミュレーションの結果である。 模範的なレベルシフタを示す概略図である。 模範的な集積回路を含むシステムを示す概略図である。
本発明についての目的、特徴、長所が一層明確に理解されるよう、以下に実施形態を例示し、図面を参照にしながら、詳細に説明する。
[実施例]
従来のフラッシュメモリ回路はレベルシフタを有する。従来のレベルシフタは、高電圧スイッチに使える。従来のレベルシフタは、ドライバ段、NMOSトランジスタN1、PMOSトランジスタP1と、インバータから構成される。NMOSトランジスタN1とPMOSトランジスタP1は、直列に結合され、ドライバ段と並列に配置される。インバータは、NMOSトランジスタN1とドライバ段の間に結合される。PMOSトランジスタP1のソース端は、高電圧HVに結合される。NMOSトランジスタN1のソース端は、低電圧VSSに結合される。入力電圧信号が高い場合、高電圧HV、ドライバ段の出力端に出力される。入力電圧信号が低い場合、低電圧VSS、ドライバ段の出力端に出力される。
従来のドライバ段は、NMOSトランジスタN2とPMOSトランジスタP2から構成される。PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2は、高電圧HVと低電圧VSSの間に直列に結合される。PMOSトランジスタP2のソース端は、高電圧HVと結合される。PMOSトランジスタのソース端は、低電圧VSSに結合される。NMOSトランジスタN2とPMOSトランジスタP2のドレイン端は、レベルシフタの出力端に使える。レベルシフタの出力端は、PMOSトランジスタP1のゲート結合される。PMOSトランジスタP1のドレイン端は、PMOSトランジスタP2のゲート結合される。
入力電圧信号が高い場合、NMOSトランジスタN1オンにされる。インバータは、高電圧状態を低電圧状態に反転し、NMOSトランジスタN2をオフにする。オンにされたNMOSトランジスタN1は、PMOSトランジスタP1のドレインを低電圧VSSに結合する。低電圧VSSは、高電圧HVをレベルシフタの出力端に結合するPMOSトランジスタP2をオンにすることができる。
入力電圧信号が高電圧状態から低電圧状態に遷移した場合、NMOSトランジスタN1は、オフにされる。その後直ちに低電圧状態は、低電圧状態を高電圧状態に反転させるインバータに印加される。高電圧状態は、NMOSトランジスタN2のゲートに印加され、NMOSトランジスタN2をオンにする。高電圧状態がNMOSトランジスタN2のゲートに印加される間は、低電圧状態がまだPMOSトランジスタP2のゲートに印加される。NMOSトランジスタN2とPMOSトランジスタP2は、完全にオンにされていることがわかる。完全にオンにされたNMOSトランジスタN2とPMOSトランジスタP2は、高電圧HVから低電圧VSSに流れる高リーク電流となる。たとえ完全にオンにされた時間が短い可能性はあるとしても、完全にオンにされたPMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2に流れる電荷は、大きいリーク電流のために望まれるものではない。電荷損失は、高電圧HVを引き下げ、フラッシュメモリの各種デバイス、トランジスタ及び/または回路の高電圧動作を妨げるおそれがある。
上述に基づいて、所望の電荷損失を有するレベルシフタ、集積回路、システムと、レベルシフタを動作する方法が求められる。
以下の内容は、本発明の異なる特徴を実施する、異なる実施例または範例を提供していることが分かるだろう。本発明を簡素化するために、組成と配置の特定例が以下に説明される。これらは、単に例であり、これらを限定するものではない。また、本実施例は、各種実施例の参照番号と、または文字を繰り返すことができる。この重複は、簡素化と明確化の目的のためであり、述べられる各種の実施例と、または構成間の関係自体を指定するものではない。また、本発明の素子(feature)に、もう1つの素子が接続、または接合される形成は、素子が直接接触(コンタクト)で形成される実施例を含むことができ、且つ追加の素子が直接接触していない素子に介在して形成される実施例を含むことができる。また、空間的に相対した語彙、例えば、下方(lower)、上方(upper)、水平、垂直、の上(above)、の下(below)、上、下、上部、底部など、またはその派生語(例えば、水平に、下向きに(downwardly)、上向きに(upwardly)など)も実施例の1つの素子ともう1つの素子の関係を述べるのに用いられる。空間的に相対的な用語は、素子を含むデバイスの異なる方向をカバーすることを目的としている。
図1は、模範的な集積回路を示している概略図である。図1では、集積回路100は、チャージポンプ110、ライン115と、レベルシフタ120を含むことができる。チャージポンプ110は、ライン115結合することができる。ライン115は、レベルシフタ120結合することができる。集積回路100は、例えば、FLASH、EPROM、E2PROMなどの不揮発性メモリ回路、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)回路、内蔵したSRAM回路、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)回路、内蔵したDRAM回路、フィールドプログラム可能ゲートアレイ(FPGA)回路、ロジック回路及び/または他の集積回路を含むことができる。
チャージポンプ110は、1つの電圧状態からもう1つの電圧状態に電圧を昇圧(pump)することができる。フラッシュメモリ回路を用いたいくつかの実施例では、チャージポンプ110は、例えば約1.8Vの内部動作電圧VDDを例えば約10V〜約13Vの昇圧された電圧VPPに昇圧することができる。ライン115は、昇圧された電圧VPPを高電圧動作のための集積回路120内の各種のデバイス、トランジスタ、ダイオード及び/または回路に伝送することができる。
図1を参照して、ライン115は、昇圧された電圧VPPを高電圧入力としてレベルシフタ120に結合することができる。レベルシフタ120は、入力端120a、出力端120bと、ドライバ段130を含むことができる。入力端120aは、入力電圧信号を受けることができる。入力電圧信号は、遷移期間中、例えば高電圧状態またはVDDの電圧状態から、例えば低電圧状態または0Vのもう1つの電圧状態に遷移することができる。出力端120bは、出力電圧信号を出力することができる。出力電圧信号は、例えばライン115の昇圧された電圧VPPの高電圧状態から、入力端120aで受けた入力電圧信号に対応したVSSまたは接地の電圧状態に遷移することができる。述べたように、いくつかの実施例では、入力端120aで受けた入力電圧信号が高い場合、レベルシフタ120は、出力端120bに昇圧された電圧VPPを出力することができる。入力端120aで受けた入力電圧信号が低い場合、レベルシフタ120は、出力端120bに低電圧状態VSSを出力することができる。
ドライバ段130は、入力端120aと出力端120bの間に結合することができる。ドライバ段130は、例えばトランジスタ131の第1トランジスタと例えばトランジスタ133の第2トランジスタを含むことができる。トランジスタ131と133のそれぞれは、ゲート、ソース端と、ドレイン端を有することができる。トランジスタ131のソース端は、昇圧された電圧VPPを提供するライン115結合することができる。トランジスタ133のソース端は、例えば接地またはVSSの電圧源結合することができる。トランジスタ131と133のドレイン端は、互いに結合し、且つレベルシフタ120の出力端120b結合することができる。
第1電圧状態と第2電圧状態の電圧レベルの約平均値(図2に図示された例えば1/2VDD)に対応した時間t1からほぼ直ちに、第2電圧状態(例えば0V)がトランジスタ131のゲートに実質的に印加されることはなくなり(free from being applied)、トランジスタ131を実質的にオフにする。図2は、入力電圧信号の状態遷移とドライバ段の第1トランジスタのゲートに印加される電圧状態を示しているシミュレーションの結果である。図2では、入力電圧信号は、例えばVDDの高電圧状態から、例えば0Vの低電圧状態に遷移する。時間t1では、入力電圧信号の電圧状態は、約1/2のVDDに遷移することができる。時間t1からほぼ直ちに(substantially immediately)、トランジスタ131のゲートに印加された電圧状態は、例えば0Vの低電圧状態から、例えばVDDの高電圧状態の方へ上昇を始め、トランジスタ131をオフにする。いくつかの実施例にて、“時間t1からほぼ直ちに”なる表現は、時間t1後、約1ナノセカンド(ns)以下という意味である。いくつかの他の実施例では、“時間t1からほぼ直ちに”なる表現は、時間t1後、約0.5ナノセカンド(ns)以下という意味である。
述べたように、従来のレベルシフタは、PMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2を含むドライバ段を有する。入力電圧が高い場合、PMOSトランジスタP2は、オンにされる。入力電圧信号がVDDから0Vに遷移した場合、電圧状態VDDがNMOSトランジスタN2のゲートに印加されているが、電圧状態0VがまだPMOSトランジスタP2のゲートに印加される。NMOSトランジスタN2とPMOSトランジスタP2は、よって、完全にオンにされる。たとえPMOSトランジスタP2とNMOSトランジスタN2を完全にオンにする時間が短くても、高電圧HVから低電圧VSSに流れるリーク電流は、例えば、約1.5ミリアンペア(mA)と大きい。0.18μmのCMOSトランジスタと2.7Vの昇圧された電圧を用いたいくつかの実施例では、リーク電流は、約1ピコクーロン(pC)の電荷損失となる可能性がある。電荷損失は、実質的に高電圧HVを引き下げ、デバイス、トランジスタ及び/または回路の高電圧動作を妨げる可能性がある。
従来のレベルシフタとは逆に、レベルシフタ120は、約1/2のVDDの電圧状態に対応した時間t1からほぼ直ちに、トランジスタ131のゲートへの低電圧状態0の実質的印加はなくすことができる。時間t1のほぼ直後、トランジスタ131のゲートは、電圧状態0Vの認識(seeing)はなくなり(free from)、トランジスタ133のゲートは、電圧状態VDDの認識がある。時間t1の後、トランジスタ131と133の両方は同時に完全にオンにされることはなくなるので、ライン115から低電圧VSSに流れるリーク電流は、小さいのが望ましい(例えば約0.8mA以下)。2.7Vの昇圧された電圧と0.18μmのCMOS技術を用いたいくつかの実施例では、入力電圧信号の高低遷移に対応した電荷損失は、時間t1の後、約0.5pCとすることができる(図3に図示)。注意するのは、約0.5pCの電荷損失は、単に模範例(exemplary)であることである。当業者は、昇圧される電圧及び/またはトランジスタ131と133のサイズを変更して電荷損失を望ましく低減することができる。本発明の範囲はこれを限定するものではない。
注意するのは、図1〜図3に関連した上述の入力と出力電圧信号の遷移状態は、単に模範例であることである。また注意することは、電圧状態VDD、VSS、VPPと、または0Vは、単に模範例であることである。当業者は、入力と出力電圧信号の遷移と、または電圧状態を変更して望ましいレベルシフタの動作を得ることができる。
図4は、模範的なレベルシフタを示す概略図である。図4では、レベルシフタ120は、入力端120a結合したインバータ(例えば、インバータ410)を含むことができる。第3トランジスタ(例えばトランジスタ415)は、インバータ410結合することができる。トランジスタ415は、ドレイン端とソース端を有することができる。トランジスタ415のドレイン端は、昇圧された電圧VPPを有するライン115(図1に図示)結合することができる。
レベルシフタ120は、出力端120b結合することができる第4トランジスタ(例えば、トランジスタ420)を含むことができる。トランジスタ420は、ドレイン端とソース端を有することができる。トランジスタ420のソース端は、昇圧された電圧VPPを有するライン115(図1に図示)結合することができる。
レベルシフタ120は、第5トランジスタ(例えば、トランジスタ425)を含むことができる。トランジスタ425は、入力端120a結合することができる。トランジスタ425は、ドレイン端とソース端を有することができる。トランジスタ425のソース端は、トランジスタ415と420に結合することができる。
レベルシフタ120は、入力端120a結合することができる第6トランジスタ(例えば、トランジスタ430)を含むことができる。トランジスタ430は、ドレイン端とソース端を有することができる。トランジスタ430のドレイン端は、トランジスタ425のドレイン端とドライバ段130のトランジスタ131と133のゲートと結合することができる。
下記は、レベルシフタ120の模範的な動作に関する説明である。入力端120aの入力電圧信号が例えば電圧状態VDDと高い場合、電圧状態VDDはトランジスタ425をオフにし、トランジスタ430をオンにすることができる。オンにされたトランジスタ430は、節点aを例えばVSSまたは接地の低電圧状態に結合することができる。図4に示されるように、節点aは、トランジスタ131と133のゲート結合することができ、トランジスタ131と133のゲートは、互いに結合する。電圧状態VSSは、トランジスタ131と133のゲートに結合することができ、トランジスタ133をオフにし、トランジスタ131をオンにすることができる。オンにされたトランジスタ131は、昇圧された電圧VPPをレベルシフタ120の出力端120bに結合することができる。例えば約10V〜13Vの昇圧された電圧VPPは、出力端120bに出力することができる。
入力電圧信号が電圧状態VDDから例えば0Vの低電圧状態に遷移した場合、電圧状態0Vは、トランジスタ430をオフにし、トランジスタ425をオンにすることができる。述べたように、インバータ410は、電圧状態0Vを電圧状態VDDに反転することができる。電圧状態VDDは、トランジスタ415をオンにすることができる。オンにされたトランジスタ415と425は、昇圧された電圧VPPを節点aとトランジスタ131と133のゲートに望ましく結合することができる。昇圧された電圧VPPは、トランジスタ131をオフにし、トランジスタ133をオンにすることができる。オンにされたトランジスタ133は、出力端子120bとトランジスタ420のゲートをVSSに結合することができる。電圧状態VSSは、トランジスタ420をオンにすることができる。オンにされたトランジスタ420は、昇圧された電圧の方に節点a電圧を引き上げるため役立つことができる。
図2と図4を参照して、入力電圧信号が電圧VDDから1/2VDDまたはそれ以下に遷移した時、トランジスタ425は、オンになり始めることができる。インバータ410から出力された電圧状態もトランジスタ415をオンになり始めることができる。時間t1のほぼ直後、節点aの電圧状態は、昇圧された電圧VPPに向けた引き上げを始めることができる。節点aにて引き上げられた電圧状態は、トランジスタ133をオンにし、トランジスタ131をオフにし始めることができる。同一の引き上げられた電圧状態がトランジスタ131と133のゲートに印加されるため、トランジスタ131のゲートは、電圧状態VDDの認識がなくなり、トランジスタ133のゲートは、電圧状態0Vを認識する。トランジスタ131と133は、同時に完全にオンにされることはない。よって、昇圧された電圧VPPから電圧VSSに流れるリーク電流は、減少される。リーク電流から生じる電荷損失は、ライン115の昇圧された電圧状態を実質的に引き下げないことになるレベルまで低下することができる。
注意するのは、図4に関連した上述のトランジスタ415〜430とインバータ410のタイプと数は、単に模範例であることである。例えば、追加のインバータが加えられて電圧信号の状態を変えることができる。追加のトランジスタが加えられてドライバ段130に流れるリーク電流を望ましく制御することができる。当業者はトランジスタ415〜430とインバータ410のタイプと数を変更して所望のレベルシフタを得ることができる。
図5は、模範的なメモリ回路を含むシステムを示す概略図である。図5では、システム500は、集積回路100と結合されたプロセッサ510を含むことができる。いくつかの実施例では、プロセッサ510は、処理装置、中央処理装置、デジタルシグナルプロセッサ、またはメモリ回路のデータにアクセスするのに適する他のプロセッサであることができる。
いくつかの実施例では、プロセッサ510と集積回路100は、プリント配線板またはプリント回路板(PCB)と物理的に電気的に結合され、電子アセンブリを形成しうるシステム内に形成することができる。電子アセンブリは、コンピュータ、無線通信デバイス、コンピュータ関連の周辺機器、娯楽機器などの電子システムの一部とすることができる。
いくつかの実施例では、集積回路100を含むシステム500は、1つのICに全てのシステムを提供する、いわゆるシステムオンチップ(SOC)またはSOIC(system on integrated circuit)デバイスを提供することができる。SOCデバイスは、例えば携帯電話、PDA、デジタルVCR、デジタルビデオカメラ、デジタルカメラ、MP3プレーヤーなどを単一集積回路において実施するため必要な回路の全てを提供することができる。
以上、本発明の好適な実施例を例示したが、これは本発明を限定するものではなく、本発明の精神及び範囲を逸脱しない限りにおいては、当業者であれば行い得る少々の変更や修飾を付加することが可能である。従って、本発明が請求する保護範囲は、特許請求の範囲を基準とする。
100 集積回路
110 チャージポンプ
115 ライン
120 レベルシフタ
120a 入力端
120b 出力端
130 ドライバ段
131 トランジスタ
133 トランジスタ
410 インバータ
415、420、425、430 トランジスタ
500 システム
510 プロセッサ
a 節点

Claims (5)

  1. 第1電圧状態から第2電圧状態への第1状態遷移を含む入力電圧信号を受けるように構成された入力端、
    第3電圧状態から前記入力電圧信号の前記第1状態遷移に対応した第2電圧状態への第2状態遷移を有する出力電圧信号を出力するように構成された出力端
    前記入力端と前記出力端の間に結合され、第1トランジスタと第2トランジスタを備えたドライバ段、
    前記入力端に結合されたインバータ、
    前記インバータに結合され、ドレイン端とソース端を有する第3トランジスタであって、この第3トランジスタのドレイン端は昇圧された電圧を与えることができるラインに結合されること、
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第4トランジスタであって、この第4トランジスタのソース端は前記ラインに結合されること、
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第5トランジスタであって、この第5トランジスタのソース端は前記第3及び第4トランジスタに結合されること、及び
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第6トランジスタであって、この第6トランジスタのドレイン端は、第5トランジスタのドレイン端と、前記第1及び第2トランジスタのゲートに結合されること、
    を含むレベルシフタ。
  2. 前記第3及び第4トランジスタは、前記入力端が前記第1状態遷移中に前記第1電圧状態の電圧レベルの平均値に到達した後、前記第2電圧状態の前記第1トランジスタのゲートへの供給をやめるように構成する請求項1に記載のレベルシフタ。
  3. 入力段と第1及び第2トランジスタを有するドライバ段を備えたレベルシフタを動作する方法であって、前記方法は、
    第1電圧状態から第2電圧状態への第1状態遷移を含む入力電圧信号を前記入力段によって受けるステップ、
    入力電圧信号が、前記第1状態遷移中に前記第1電圧状態と前記第2電圧状態の平均値に到達した後、前記第2電圧状態の前記第1トランジスタのゲートへの供給をやめるように、前記入力電圧信号が前記第2電圧状態にあるなら、前記入力段と電源ライン間の第3トランジスタをオンにすることにより前記入力段を前記電源ラインに結合するステップ
    入力電圧信号が前記第1電圧状態にあるなら、第3トランジスタをオフにすることにより、前記入力段を第3電圧状態にある前記電源ラインから切り離す(decoupling)ステップ、及び
    第3電圧状態から前記入力電圧信号の前記第1状態遷移に対応した前記第2電圧状態への第2状態遷移を有する出力電圧信号を前記ドライバ段によって出力するステップを含む方法。
  4. 前記第1電圧状態と前記第2電圧状態の電圧レベルの約平均値に対応した時間からのほぼ直ちには、約1ナノセカンド(ns)以下である請求項に記載の方法。
  5. 動作電圧VDDよりも高い昇圧された電圧を与えるため配置されたチャージポンプ、
    前記チャージポンプ結合されたライン、及び
    前記ラインに結合されたレベルシフタを備えた集積回路において、
    前記レベルシフタは、
    入力電圧信号を受けることができる入力端であって、この入力電圧信号は、遷移期間中、第1電圧状態から第2電圧状態に遷移することができること、
    前記入力電圧信号に対応した出力電圧信号を出力することができる出力端、及び
    前記入力端と出力端の間に結合されたドライバ段を備え、
    このドライバ段は、第1トランジスタと第2トランジスタ、
    前記入力端に結合されたインバータ、
    前記インバータに結合され、ドレイン端とソース端を有する第3トランジスタであって、この第3トランジスタのドレイン端は昇圧された電圧を与えることができるラインに結合されること、
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第4トランジスタであって、この第4トランジスタのソース端は前記ラインに結合されること、
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第5トランジスタであって、この第5トランジスタのソース端は前記第3及び第4トランジスタに結合されること、及び
    前記出力端に結合され、ドレイン端とソース端を有する第6トランジスタであって、この第6トランジスタのドレイン端は、第5トランジスタのドレイン端と、前記第1及び第2トランジスタのゲートに結合されること、
    を含む集積回路。
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