JPH02198096A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH02198096A
JPH02198096A JP1016148A JP1614889A JPH02198096A JP H02198096 A JPH02198096 A JP H02198096A JP 1016148 A JP1016148 A JP 1016148A JP 1614889 A JP1614889 A JP 1614889A JP H02198096 A JPH02198096 A JP H02198096A
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JP
Japan
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voltage
circuit
circuits
load
power supply
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JP1016148A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Horiguchi
真志 堀口
Hitoshi Tanaka
均 田中
Jun Eto
潤 衛藤
Kiyoo Ito
清男 伊藤
Masakazu Aoki
正和 青木
Shinichi Ikenaga
伸一 池永
Yoshinobu Nakagome
儀延 中込
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Priority to US07/865,677 priority patent/US5179539A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a stable semiconductor device having low noise levels by dividing a voltage limiter and a drive circuit to compensate their phases, preparing a pulse generating circuit to use selectively a voltage limiter with a control signal and to integrate the voltage limiter into a CMOS, and setting the back gate voltage at a level equal to the source voltage. CONSTITUTION:An internal circuit serving as a load of a voltage limiter is divided into pieces Z1-Z3 together with a drive circuit divided into pieces B1-B3. The phases of these divided circuits are compensated. A feedback amplifier and a phase compensating circuit which are suited to each load circuit can be easily designed by dividing those circuits according to the types and the sizes of the loads. Thus the working of each drive circuit is stabilized. A pulse phi'1 is inputted to a drive circuit B1 synchronously with a timing pulse phi1 which controls the load. Then the circuit constants of a feedback amplifier A1 and a phase compensating circuit C1 are changed to secure the characteristics which are always accordant with the load action mode. Thus the working of the drive circuit is stabilized. These elements are integrated into a CMOS device on an Si substrate 101, and the voltage of a back gate 102 is set at the same level as the working voltage of a source. Thus it is possible to obtain a small sized DRAM having the low noise levels, the low power consumption, and the high speed working.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は半導体装置に係り、特に装置内の少なくとも一
部の回路で使用される内部電源電圧を発生する回路に関
する。 (従来の技術】 近年、半導体装置の高集積化が進むにつれて、半導体素
子の微細化に伴う耐圧の低下が問題になってきた。この
問題は半導体装置の電源電圧を下げれば解決できるが、
これは外部インタフェースの関係で必ずしも好ましくな
い。そこで、外部から印加する電源電圧は従来のまま(
たとえばTTLコンパチブルの場合は5V)としておき
、それよりも低い電圧(たとえば3V)の内部電源を半
導体装置内で作るという方法が提案されている。たとえ
ばアイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・ソリッ
ド・ステート・サーキツツ、第22巻第3号、第437
頁から第441頁。 1987年6月(I E E E  Journal 
of 5olid−8tats C1rcuits、 
Vol、5C−22,No、3゜pp、437−441
. June 1987)には、この方法をDRAM 
(ダイナミックランダムアクセスメモリ)に適用した例
、および外部電源から内部電源を発生するための回路(
電圧リミッタ回路)について記述されている。 第29図に上記文献に記載されている電圧リミッタ回路
の回路図を示す0図中、VLが電圧リミッタ回路であり
、基準電圧発生回路VRと駆動回路Bから成る。Zは電
圧リミッタの負荷、すなわち電圧リミッタの出力電圧V
Lを電源として動作する回路である。基準電圧発生回路
VRは、外部電源電圧Vccや温度による変動の少ない
安定な電圧VRを発生する。駆動回路Bは、電圧値がV
Rと同じで電流駆動能力の大きい電圧vしを発生する回
路であり、Q x o s〜Q1□1から成る差動増幅
器DAと出力MOSトランジスタQ工、2から成る。 差動増幅器DAの2個の入力端子のうち、一方にはVR
が接続され、他方には出力VLが帰還されているので、
この回路は出力vLが入力VRに追随するように動作す
る。出力vしの電流駆動能力は、出力MOSトランジス
タQ L L jAのチャネル幅によって決まる。した
がって、Q工、□のチャネル幅を負荷の消*電流に見合
った大きさに設計しておけば、安定な内部電源電圧VL
を負荷に供給することができる。 r発明が解決しようとする課題】 上記従来技術の第1の問題点は、電圧リミッタ回路の動
作の安定性について考慮されていないことである。一般
に、第29図の駆動回路Bのような帰還のかかった増幅
器は、十分な位相余裕があるように設計しなければ、動
作が不安定になる。 これを第30図を用いて説明する。帰還をかけないとき
の増幅器の周波数対利得および周波数対位相の関係が図
のようになっていたとすると、利得がOdBになる周波
数において1位相遅れが180°にどれだけ余裕がある
かを示す数値が、位相余裕である。位相余裕が負であれ
ば帰還増幅器は発振するし、正であっても余裕が小さい
場合、動作が不安定になる。一般に安定に動作するため
には位相余裕は45″以上必要であると言ねれている。 そのためには、周波数対利得の特性が折れ曲がる点(ポ
ール)のうち、2番目の点P、 (傾きが6 d B 
/ o c tから12 d B / o c tに変
わる点)における利得がOdB以下でなければならない
。電圧リミッタ回路は、内部回路に安定な内部電源電圧
を供給するのがその使命であるから、発振したり動作が
不安定になったりしてはならないのはもちろんのことで
ある。 この問題に対する対策としては、位相遅れを補償する各
種の方法が、たとえばポール・アール・グレイ、ロパー
ト・ジー・マイヤー共著、アナリシス・アンド・デザイ
ン・オブ・アナログ・インテグレーテッド・サーキッツ
、第2版、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ社(Pa
ul R,Grayand Robert G、 Ma
yer : Analysys andDesign 
of Analog Integrated C1rc
uits。 2nd Ed、、  John Wiley and 
5ons  Inc、)に示されている。しかし、位相
補償を実際の半導体装置の電圧リミッタ回路に適用する
には1次のような問題がある。電圧リミッタ回路の負荷
となる回路は、実際の半導体装置の内部回路であり、そ
の中には容量、抵抗、インダクタンス、非線形素子、あ
るいはそれらの組合せなど極めて多種・多様なものが含
まれる。しかも、それらの負荷が、時間的に一定ではな
く、半導体装置の動作モードによって変化することがあ
る。たとえば、半導体装置が動作状態にあるときと、待
機状態にあるときとでは、負荷に流れる電流が大きく異
なる。これによって、第29図の能動回路Bの出力段の
バイアス条件が変化し、その結果増幅器全体の周波数特
性も変化する。電圧リミッタ回路を安定に動作させるた
めには、このような複雑な性質をもった増幅器が常に安
定に動作するようにする必要がある。 それには、従来の位相補償法だけでは不十分である。 上記従来技術の第2の問題点は、半導体チップ上の配置
や配線について配慮されていないことである。特に、内
部電源電圧VLで動作する回路が複数個ある場合の、電
圧リミッタ回路の配置やその出力電圧VLの配線につい
ては配慮されていなかった。 たとえば、上記従来技術を半導体メモリに適用した場合
、以下に述べるような問題が生ずる。第31図および第
32図に上記従来技術を半導体メモリに適用した例を示
す、第31図において、1は半導体メモリチップ全体、
3は周辺回路、7は電圧リミッタ回路のうちの駆動回路
(’!圧リミッタ回路のうちの基準電圧発生回路はここ
では記載を省略しである)、14a〜14dはパルス発
生回路、2a〜2dは微細MO8)−ランジスタで構成
されているメモリマットである。 メモリマットは微細素子を使用しているため、内部電源
電圧Vt、で動作させる。駆動回路7とパルス発生回路
14a〜14dはこのための回路である。7は内部電源
電圧VLを発生し、14a〜14dは振幅VLのパルス
φP、〜φP4をそれぞれ発生する。この例では、パル
ス発生回路が14a〜14dの4個あるのに対して、即
動回路は7の1個だけである。したがって、この電圧リ
ミッタ回路によって発生した内部電源電圧VLを各パル
ス発生回路に供給するためには、チップの上辺から下辺
にわたる長い配線が必要であり、配線に寄生するインピ
ーダンスが大きくなって雑音発生の原因となる。このイ
ンピーダンスを小さくするために配線幅を太くすると、
今度は配線のチップ上の占有面積が増すという問題が生
ずる。 第32図は、第31図における配線が長くなるという問
題を避けるために、各パルス発生回路に対応して1個ず
つ駆動回路7 a s 7 b t 7 c*7dを設
けた例である。こうすれば、電圧リミッタ回路とパルス
発生回路との間の配線長を短くすることができるが、パ
ルス発生回路数と同じ数(ここでは4個)の電圧リミッ
タ回路が必要となる。したがって、電圧リミッタ回路の
チップ上の占有面積および消費電流が第31図の場合に
比べて増加する。パルス発生回路の数がさらに大きくな
った場合には、電圧リミッタ回路の占有面積と消費電力
の増加は、高集積化、低消費電力化を標傍する半導体装
置にとって重大な問題となる。 上記従来技術の第3の問題点は、CMO8回路の動作速
度について考慮されていないことである。 この問題を、微細加工技術の最先端を駆使して製造され
るダイナミックランダムアクセスメモリ(以下DRAM
と略す)を用いて説明する。 第33図は、従来のNウェル形CMO8・DRAMの回
路ブロック構成の一部を示す6図中のメモリセルアレ一
部はP形基板上にある。センスアンプ部はNチャネルお
よびPチャネルMOSトランジスタから成り、Pチャネ
ルMOSトランジスタの基板に相当するNウェルは電源
電圧に接続されている。 アイ・ニス・ニス・シー・シー、エフ・ニー・エム18
.6,1984年、第282頁(ISSCC,FAM1
8.6,1984゜p 282)において論じられてい
るように、MOSトランジスタの寸法を小さくしてDR
AMの集積度を上げて行くと、MOSトランジスタのホ
ットキャリヤによるストレス耐圧の低下などの問題が生
じる。これを防ぐために、集積度向上のために微細化が
必要なメモリアレーで使用する電源電圧のみを、上記ス
トレス耐圧を考慮して下げることが考えられる。これは
、たとえばD RAMの周辺回路部(Xデコーダ、Yデ
コーダなど)に外部電源電圧Vcc、センスアンプを含
むメモリアレ一部にVccより低い動作電圧VL(IV
LI<Vccl)を用いることである。すなわち、第3
3図中のセンスアンプのPチャネルMOSトランジスタ
のソースにつながる電圧供給線を■しとし、周辺回路部
の電圧供給線をVccとする。 しかしながら、0MO8−DRAMにおいて、上述の如
くメモリアレ一部の動作電圧を低くすると、著しく動作
速度が低下することが判明した。 詳細な解析の結果、その原因がPチャネルMOSトラン
ジスタのバックゲートバイアス効果によるしきい値電圧
上昇であることが明らかになった。 すなわち、P形基板中のNウェル中に形成されたPチャ
ネルMOSトランジスタのソースの電位が内部電源電圧
vし、Nウェル(PチャネルMOSトランジスタのバッ
クゲート)の電位が外部電源電圧Vccであると、Pチ
ャネルMOSトランジスタにVcc−VLのバックゲー
トバイアスがかかり、そのしきい値電圧が上昇する。 第34図は、ゲート長1.2μm、ゲート幅10μmの
PチャネルMOSトランジスタのバックゲート(Nウェ
ル)電圧とソース電圧との差(バックゲートバイアス)
に対し、しきい値電圧をプロットしたものである。この
例では、バンクゲートバイアスが2■入んかされると、
約0.35VLきい値電圧が上昇する。現在LSIで多
く用いられている電源電圧vccに対し、たとえばVL
=3Vとすると、0.35 Vのしきい値電圧上昇は動
作電圧の10%を越えており、それがそのまま速度劣化
につながる。 本発明の第1の目的は、上記第1の問題点を解決し、動
作の安定な電圧リミッタ回路を提供することにある。 本発明の第2の目的は、上記第2の問題点を解決し、低
雑音、小占有面積、低消費電力の電圧リミッタ回路を提
供することにある。 本発明の第3の目的は、上記第3の問題点を解決し、高
速かつ高信頼性の0MO8−LS Iを提供することに
ある。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a circuit that generates an internal power supply voltage used in at least some circuits within the device. (Prior Art) In recent years, as semiconductor devices have become more highly integrated, a decrease in breakdown voltage due to the miniaturization of semiconductor elements has become a problem.This problem can be solved by lowering the power supply voltage of the semiconductor device, but
This is not necessarily preferable due to the external interface. Therefore, the power supply voltage applied externally remains the same as before (
For example, in the case of TTL compatible, a method has been proposed in which the voltage is set at 5 V) and an internal power supply with a lower voltage (for example, 3 V) is created within the semiconductor device. For example, I.E., Journal of Solid State Circuits, Vol. 22, No. 3, No. 437.
From page 441. June 1987 (I E E E Journal
of 5olid-8tats C1rcuits,
Vol, 5C-22, No, 3゜pp, 437-441
.. June 1987) applied this method to DRAM.
(dynamic random access memory) and a circuit for generating internal power from an external power supply (
Voltage limiter circuit) is described. FIG. 29 shows a circuit diagram of the voltage limiter circuit described in the above-mentioned document. In FIG. 29, VL is a voltage limiter circuit, which is composed of a reference voltage generation circuit VR and a drive circuit B. Z is the load of the voltage limiter, i.e. the output voltage of the voltage limiter V
This circuit operates using L as a power source. The reference voltage generation circuit VR generates a stable voltage VR with little variation due to external power supply voltage Vcc or temperature. Drive circuit B has a voltage value of V
Like R, this circuit generates a voltage v with a large current drive capability, and is composed of a differential amplifier DA consisting of Qxos to Q1□1 and an output MOS transistor Q2. One of the two input terminals of the differential amplifier DA is connected to VR.
is connected, and the output VL is fed back to the other, so
This circuit operates so that the output vL follows the input VR. The current drive capability of the output v is determined by the channel width of the output MOS transistor Q L L jA. Therefore, if the channel width of Q and □ is designed to be large enough to match the load's consumption current, stable internal power supply voltage VL can be achieved.
can be supplied to the load. Problems to be Solved by the Invention The first problem with the above-mentioned prior art is that the stability of the operation of the voltage limiter circuit is not taken into account. Generally, an amplifier with feedback such as drive circuit B in FIG. 29 will operate unstable unless it is designed to have sufficient phase margin. This will be explained using FIG. 30. Assuming that the frequency vs. gain and frequency vs. phase relationships of the amplifier without feedback are as shown in the diagram, this is a value that shows how much margin there is for one phase delay to 180° at the frequency where the gain is OdB. is the phase margin. If the phase margin is negative, the feedback amplifier will oscillate, and even if it is positive, if the margin is small, the operation will become unstable. It is generally said that a phase margin of 45" or more is required for stable operation. To do this, the second point P, (slope is 6 dB
/oct to 12 dB/oct) must be less than or equal to OdB. Since the mission of the voltage limiter circuit is to supply a stable internal power supply voltage to the internal circuit, it goes without saying that it must not oscillate or become unstable in operation. As a countermeasure to this problem, various methods of compensating for phase delay are described, for example, in Paul Earl Gray and Lopert G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 2nd edition, John Wiley & Sons, Inc. (Pa.
ul R, Gray and Robert G, Ma
yer: Analysis and Design
of Analog Integrated C1rc
uits. 2nd Ed, John Wiley and
5ons Inc.). However, there are first-order problems when applying phase compensation to voltage limiter circuits of actual semiconductor devices. The circuit serving as the load of the voltage limiter circuit is an internal circuit of an actual semiconductor device, and includes an extremely wide variety of elements such as capacitance, resistance, inductance, nonlinear elements, and combinations thereof. Moreover, these loads are not constant over time and may change depending on the operating mode of the semiconductor device. For example, the current flowing through the load differs greatly between when the semiconductor device is in an operating state and when it is in a standby state. As a result, the bias condition of the output stage of active circuit B in FIG. 29 changes, and as a result, the frequency characteristics of the entire amplifier also change. In order to operate the voltage limiter circuit stably, it is necessary to ensure that the amplifier with such complex characteristics always operates stably. For this purpose, conventional phase compensation methods alone are insufficient. The second problem with the above-mentioned conventional technology is that no consideration is given to the arrangement and wiring on the semiconductor chip. In particular, when there are a plurality of circuits that operate on the internal power supply voltage VL, no consideration has been given to the arrangement of the voltage limiter circuits or the wiring of the output voltage VL. For example, when the above-mentioned conventional technique is applied to a semiconductor memory, the following problems occur. FIGS. 31 and 32 show an example in which the above-mentioned conventional technology is applied to a semiconductor memory. In FIG. 31, 1 indicates the entire semiconductor memory chip;
3 is a peripheral circuit, 7 is a drive circuit of the voltage limiter circuit (the reference voltage generation circuit of the pressure limiter circuit is omitted here), 14a to 14d are pulse generation circuits, 2a to 2d is a memory mat made up of micro MO8) transistors. Since the memory mat uses minute elements, it is operated with an internal power supply voltage Vt. The drive circuit 7 and pulse generation circuits 14a to 14d are circuits for this purpose. 7 generates an internal power supply voltage VL, and 14a to 14d generate pulses φP and φP4 of amplitude VL, respectively. In this example, there are four pulse generating circuits 14a to 14d, but there is only one immediate action circuit 7. Therefore, in order to supply the internal power supply voltage VL generated by this voltage limiter circuit to each pulse generation circuit, a long wiring from the top side to the bottom side of the chip is required, which increases the parasitic impedance of the wiring and causes noise generation. Cause. If you increase the wiring width to reduce this impedance,
This time, a problem arises in that the area occupied by the wiring on the chip increases. FIG. 32 shows an example in which one drive circuit 7 a s 7 b t 7 c * 7 d is provided corresponding to each pulse generation circuit in order to avoid the problem of the wiring becoming long in FIG. 31. In this way, the wiring length between the voltage limiter circuit and the pulse generation circuit can be shortened, but the same number of voltage limiter circuits as the number of pulse generation circuits (four in this case) are required. Therefore, the area occupied by the voltage limiter circuit on the chip and the current consumption increase compared to the case of FIG. 31. When the number of pulse generation circuits increases, the area occupied by the voltage limiter circuit and the power consumption increase will become a serious problem for semiconductor devices that are aiming for higher integration and lower power consumption. The third problem with the above-mentioned prior art is that the operating speed of the CMO8 circuit is not taken into consideration. This problem can be solved with dynamic random access memory (DRAM), which is manufactured using cutting-edge microfabrication technology.
(abbreviated as )). FIG. 33 shows a part of the circuit block configuration of a conventional N-well type CMO8/DRAM. A part of the memory cell array in FIG. 6 is on a P-type substrate. The sense amplifier section is made up of N-channel and P-channel MOS transistors, and an N-well corresponding to the substrate of the P-channel MOS transistor is connected to a power supply voltage. I Nis Nis Cee, F.N.M.18
.. 6, 1984, p. 282 (ISSCC, FAM1
8.6, 1984, p. 282), the size of MOS transistors can be reduced to improve DR.
As the degree of integration of AM increases, problems such as a decrease in stress resistance voltage due to hot carriers of MOS transistors arise. In order to prevent this, it is conceivable to lower only the power supply voltage used in a memory array that needs to be miniaturized to improve the degree of integration, taking into account the stress withstand voltage. This means, for example, that the external power supply voltage Vcc is applied to the peripheral circuits of the DRAM (X decoder, Y decoder, etc.), and the operating voltage VL (IV
LI<Vccl). That is, the third
The voltage supply line connected to the source of the P-channel MOS transistor of the sense amplifier in FIG. However, in the 0MO8-DRAM, it has been found that when the operating voltage of a portion of the memory array is lowered as described above, the operating speed is significantly reduced. As a result of detailed analysis, it became clear that the cause was an increase in threshold voltage due to the back gate bias effect of the P-channel MOS transistor. That is, if the potential of the source of the P-channel MOS transistor formed in the N-well in the P-type substrate is the internal power supply voltage v, and the potential of the N-well (back gate of the P-channel MOS transistor) is the external power supply voltage Vcc. , a back gate bias of Vcc-VL is applied to the P-channel MOS transistor, and its threshold voltage increases. Figure 34 shows the difference between the back gate (N well) voltage and source voltage (back gate bias) of a P channel MOS transistor with a gate length of 1.2 μm and a gate width of 10 μm.
This is a plot of the threshold voltage. In this example, when the bank gate bias is input by 2■,
The threshold voltage increases by about 0.35VL. For example, VL
= 3 V, the threshold voltage increase of 0.35 V exceeds 10% of the operating voltage, which directly leads to speed deterioration. A first object of the present invention is to solve the above first problem and provide a voltage limiter circuit with stable operation. A second object of the present invention is to solve the second problem described above and provide a voltage limiter circuit with low noise, small occupation area, and low power consumption. A third object of the present invention is to solve the third problem described above and provide a high-speed and highly reliable 0MO8-LSI.

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

上記第1の目的を達成するため、本発明では、電圧リミ
ッタが多くの種類の負荷を駆動する必要があるときは、
電圧リミッタを構成する能動回路を負荷の種類に応じて
複数個に分割し、それぞれに位相補償を施す。負荷の種
類や大きさが半導体装置の動作モードによって時間的に
変化するときは、各動作モードによって駆動回路や位相
補償回路の回路定数を変化させる。あるいは、各動作モ
ードごとに個別の■動回路を設け、それらの出力を接続
して電圧リミッタの出力とする。 上記第2の目的は、電圧リミッタ回路とその出力を電源
として用いるパルス発生回路などの負荷回路とを近接し
て配置し、アドレス信号などの制御信号によって選択/
非選択の関係にある複数の負荷回路で1個の電圧リミッ
タ回路を共有することにより達成される。 上記第3の目的を達成するため1本発明では、0MO8
−LSIにおいてウェル中に形成されたMOSトランジ
スタのバックゲート(ウェル)電圧をソース端に供給さ
れる動作電圧と等しくする。
In order to achieve the above first object, in the present invention, when the voltage limiter needs to drive many types of loads,
The active circuit that makes up the voltage limiter is divided into multiple parts depending on the type of load, and phase compensation is applied to each part. When the type and magnitude of the load changes over time depending on the operating mode of the semiconductor device, the circuit constants of the drive circuit and phase compensation circuit are changed depending on each operating mode. Alternatively, separate operating circuits are provided for each operation mode, and their outputs are connected to provide the output of the voltage limiter. The second purpose is to place a voltage limiter circuit and a load circuit such as a pulse generation circuit that uses its output as a power source in close proximity to each other, so that the voltage limiter circuit can be selected or
This is achieved by sharing one voltage limiter circuit among a plurality of unselected load circuits. In order to achieve the third object, the present invention provides 0MO8
- In an LSI, the back gate (well) voltage of a MOS transistor formed in a well is made equal to the operating voltage supplied to the source end.

【作用】[Effect]

電圧リミッタが多くの種類の負荷を駆動する必要がある
とき、駆動回路を負荷に応じて複数個に分割し、それぞ
れに位相補償を施すことによって、負荷の種類に応じた
最適な位相補償が可能になる。 また、半導体装置の動作モードによって、駆動回路や位
相補償回路の回路定数を変化させたり、各動作モードご
とに個別の駆動回路を設け、それらの出力を接続して電
圧リミッタの出力としたりすることによって、負荷の変
動に対応した最適な位相補償が可能になる。それによっ
て動作の安定な電圧リミッタ回路を作ることができる。 電圧リミッタ回路とその出力を電源として用いるパルス
発生回路などの負荷回路とを近接して配置することによ
り、これらの間の配線のインピーダンスを小さくするこ
とができ、発生する雑音のレベルを抑えることができる
。また、アドレス信号などの制御信号によって選択/非
選択の関係にある複数の負荷回路で1個の電圧リミッタ
回路を共有することにより、電圧リミッタ回路の数を減
らすことができる。したがって、該回路の占有面積と消
費電力とを低減することができる。ここで、電圧リミッ
タ回路は、負荷回路のうち選択状態にある回路だけを駆
動すればよい。したがって、共有することによって電圧
リミッタ回路の電流駆動能力を増加させる必要はない。 0MO8−LSIにおいて、ウェル中に形成されたMO
Sトランジスタは、ウェル電圧を内部電源電圧VLとす
ることにより、バックゲートバイアス効果によるしきい
値電圧の上昇を防ぐことができる。 [実施例] 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。以下の
説明では、主として本発明をMO3技術による半導体装
置に適用した例を示すが、本発明は他の半導体装置、た
とえばバイポーラやBiCMO8技術による半導体装置
にも適用できる。 また、外部電源電圧および内部電源電圧は正である場合
について述べるが、負である場合でも、トランジスタの
極性などを逆にすることによって本発明が適用できる。 〔基本概念〕 まず、本発明の基本概念を説明する。 第1図に本発明の一実施例を示す。図中、VLが電圧リ
ミッタ回路であり、外部電源電圧Vccから内部電源電
圧VL□〜VL、を発生する。電圧リミッタ回路VLは
、基準電圧発生回路VRと睡動回路Bユ〜B3から成る
。基準電圧発生回路VRは、外部電源電圧Vccや温度
による変動が少ない安定な電圧VRを発生し、各駆動回
路B、は、VRをもとに電流駆動能力の大きい電圧V 
L tを発生する。 各駆動回路B1は、帰還増幅器Atと位相補償回路CI
から成る。Z工〜Z、は、電圧リミッタ回路VLの負荷
となる半導体装置内の回路であり、それぞれv11〜v
L3を電源として動作する。φ1〜φ、は、それぞれ負
荷回路20〜Z、を制御するタイミング信号である。φ
1′〜φ3′は、それぞれφ□〜φ、に同期したタイミ
ング信号である。 本実施例の第1の特徴は、電圧リミッタ回路の負荷とな
る内部回路をZ工〜2.の3個弗分割し、それに応じて
電圧リミッタ回路内の駆動回路もB1〜B3の3個に分
割し、それぞれに位相補償を施したことである。一般に
、半導体装置内の回路には、容量、抵抗、インダクタン
ス、非線形素子、あるいはそれらの組合せなど極めて多
種・多様なものが含まれる。しかも、それらが半導体チ
ップ上に分散して(すなわち分布定数的に)存在する。 そのような複雑な負荷を有する帰還増幅器を安定に動作
させるための位相補償は極めて難しい。本実施例のよう
に、負荷回路を種類や大きさによって複数個に分割すれ
ば、各負荷回路に適した帰還増幅器および位相補償回路
の設計は比較的容易になる。これにより各駆動回路の動
作を安定にすることができる。負荷回路の分割方法とし
ては、たとえば、抵抗性負荷と容量性負荷とに分割する
方法、負荷の大きさ(消費電流)によって分割する方法
、回路の動作タイミングによって分割する方法、回路の
半導体チップ内の物理的位置によって分割する方法など
が考えられる。物理的位置によって分割した場合は、必
要に応じて駆動回路B1〜B、を分散配置することが望
ましい。 本実施例の第2の特徴は、各駆動回路B、に、各負荷を
制御するタイミング信号φiに同期した信号φ、′が入
力されていることである。一般に、半導体装置内の回路
に流れる電流は、動作モードによって大きく変化する。 このことは、電源側から見れば、負荷のインピーダンス
が変化することを意味する。このような負荷変動に対応
できるようにするために1本実施例では、タイミング信
号φ1′を用いる。φ1′によって帰還増幅器Aiや位
相補償回路C8の回路定数を変化させ、常に負荷の動作
モードに適応した特性にすることができる。 これにより、常に駆動回路の動作を安定にすることがで
きる。 なお1本実施例では、負荷回路z1〜Z、の動作電圧V
L□〜VL、のレベルはすべて等しいとしている。その
ため、基準電圧発生回路は1個だけ設け、その出力VR
を駆動回路B工〜B1で共通に使用している。負荷回路
によって動作電圧が異なる場合は、第2図のように基準
電圧発生回路を複数個設ければよい。あるいは基準電圧
発生回路は1個だけとしておき、駆動回路B1〜B、内
に電圧変換機構を設けてもよい。 第3図に本発明の他の実施例を示す。本実施例の特徴は
、負荷回路2.の動作モードに対応して複数(ここでは
2個)の駆動回路を設け、それらの出力をスイッチで切
替えていることである。駆動回路B□いB工、にはそれ
ぞれ、Z工の動作に同期したタイミング信号φ1″およ
びその補信号Iφ1′が入力されている。B工いB1□
の出力vシ、1、V L x zのうちの一方が、スイ
ッチSWで選択されて、負荷Z工に供給される。φ1′
が高レベル5/φ1′が低レベルのときは、B81が活
性化、B12が非活性化され、スイッチSWはvし、1
側に接続される。逆に、φ□″が低レベル、tφ、″が
高レベルのときは、Boが非活性化、B工2が活性化さ
れ、スイッチSWはV L > 2側に接続される。す
なわち、2個の駆動回路B工1、B1.のうちの一方だ
けが負荷回路Z、に内部電源電圧VL、を供給するのに
使用され、他方は切り離された状態にある。 第1図の実施例では、負荷の変動に対応するために、駆
動回路の回路定数を変えるという方法を採っていた。し
かし、負荷のインピーダンスが動作モードによって極め
て大きく変化し、単なる回路定数の変更だけでは複数の
動作モードで安定に動作させることが困難なことがある
。このようなときに本実施例の方法が有効である。各駆
動回路は1つの動作モード専用に設計すればよいからで
ある。たとえば、Z、が動作状態にあるときと待機状態
にあるときとで、非常に大きな消費電流の変化があると
する。この場合は、駆動回路B1、はZ工が動作状態に
あるときに、B 12はZ4が待機状態にあるときにそ
れぞれ安定に動作するように、帰還増幅器および位相補
償回路を設計しておけばよい。 本実施例では、使用されない方の駆動回路は非活性化し
ているが、これは必ずしも必要ではない。 使用されない方の駆動回路はスイッチによって切り離さ
れるからである。しかし、消費電力を低減するためには
非活性状態にしておく方が望ましい。 また、スイッチによって駆動回路の出力を切り替えてい
るが、駆動回路が非活性状態のときにその出力が高イン
ピーダンスになるように設計しておけば、スイッチは不
要である。 第1図の実施例では、駆動回路を分割しているために、
内部電源電圧VL、〜vし、の間に電位の差が生じるこ
とが懸念される。内部電源電圧間の電位差が大きいと、
負荷回路Z、〜Z、相互間に信号の授受がある場合ミス
マツチが起こったり、素子が破壊したりすることがある
。第4図にこれを防止する一方法を示す。簡単のため、
負荷および駆動回路を2個に分割した場合について示し
である。 本実施例では、2個の内部電源電圧同士を2個のNチャ
ネルMOSトランジスタQ1、Q2によって接続してい
る。MOSトランジスタのしきい値電圧をVTRとする
と、Q、はVLl−VL、> VTH(7) トきに、
Q2はVL2  VLt > VT)+(7) トi!
! ニソレソh導通ずる。したがって、VLlとVL2
との間の電位差はVTH以内に保たれる9 内部電源電圧同士を接続する方法は、第4図に示したも
のに限られない、第5図にいくつかの例を示す。最も単
純な方法は、同図(a)ないしくc)のように、抵抗あ
るいは等価的に抵抗とみなせる素子によって接続する方
法である。同図(d)は、第4図と同様に、内部電源電
圧間の電位差が一定値を越えないようにする方法である
。 ここでは、MOSトランジスタのかわりにダイオードD
0、B2を用いている。Vc、ユとVL、との間の電位
差は、ダイオードのオン電圧以内に抑えられる。同図(
e)は、電源投入直後にのみ高レベルになる信号WKを
用いて、■し、とVL2とを接続する方法である。これ
は特に、負荷VL、とVL2との立上りの時定数が大き
く異なる場合に、電位差が生じるのを防止するのに有効
である。もちろん、第4図および第5図(a)〜(e)
のうちのいくつかを組合せた接続方法を採用してもよい
。 なお、ここで述べた接続方法は、位相補償を施していな
い電圧リミッタに対しても有効である。 第1図ないし第4図では簡単のため、負荷回路を単一の
インピーダンスZlで表していた。しかし、実際の半導
体装置における負荷は、第6図に示すように、半導体チ
ップ内に分布している場合が多い。このような場合は1
分布した負荷の途中あるいは遠端から増幅器A、へ帰還
をかけてもよい。図の例では、A□へは分布した負荷2
工、〜2工、の近端から帰還をかけているが、A2へは
負荷22□〜Z 21の中央部から、A3へは負荷Z 
31〜ZXSの遠端からそれぞれ帰還をかけている。こ
うすることによる利点は、配線のインピーダンスによる
内部電源電圧の低下分を補償でき、駆動回路から遠い負
荷の動作を安定化できることである。 分布した負荷の途中あるいは遠端から帰還をかける場合
は、位相補償回路の入力も同じ個所からとることが望ま
しい。 〔帰還増幅器と位相補償回路〕 次に1本発明に用いるのに好適な帰還増幅器と位相補償
回路について説明する。 第7図(a)に帰還増幅器A、と位相補償回路CIの一
実施例を示す。図中、21は差動増幅器であり、MOS
トランジスタQ2.〜Q□から成る。 22は出力段であり、MOSトランジスタ02 G j
Q x qから成る。差動増幅器21の2個の入力端子
のうち、一方には基準電圧VRが入力され、他方には出
力段からvしが帰還されている。Ctは位相補償回路で
あり、抵抗RnとキャパシタCDが直列に接続されてい
る。この回路の帰還をかけないときの小信号等価回路を
第7図(b)に示す。簡単のため、負荷が単独の容量C
しである場合を示しである。ここで、gmxtgmzは
それぞれ差動増幅器、出力段の伝達コンダクタンス、r
ll  r、はそれぞれ差動増幅器、出力段の出力抵抗
、Caは出力段の入力容量(Q26のゲート容量)であ
る。 この回路の周波数特性を第8図を用いて説明する。まず
位相補償を施さない場合について述べる。 (a)は位相補償回路がない場合の周波数対利得の関係
である。図中、aは差動増幅器21の利得v+’/vt
、bは出力段22の利得Vo/Vt’、Cは総合の利得
vo/vsである。a、bはそれぞれ、f、、 f、な
る周波数で6dB10ctの割合で低下し始める。ここ
で、 である。この例ではfl>ftであるから、総合の利得
Cは、周波数がf3を越えると6dB10ctで、さら
にf2を越えると12dB10ctの割合で低下する。 これらの点f2、f8がいわゆるポール周波数である。 前述のように、帰還増幅器が安定に動作するためには、
12dB10ctで低下し始める点(ここではf工)に
おける利得がOdB以下でなければならない。図から明
らかなように、flとf2とが比較的接近していると、
この条件が満たされないことが多い。したがって、f□
とf2とを十分離すことによって、帰還増幅器を安定化
することとができる。 ここで位相補償回路CIを付加すると、周波数特性が同
図(b)のようになる。すなわち、差動増幅器21の利
得は変わらないが、出力段の利得はP2□j 221 
P22の3カ所で折れ曲がった特性になる。PoとP。 はポール、Z2は零点と呼ばれる点である。これらの点
の周波数は次のとおりである。 この図から明らかなように、f2を差動増幅器のポール
周波数f□の近傍に設定することによって、すなわちC
oRo弁Car、とすることによって、総合の利得のf
lにおける折れ曲がりがなくなる。 その結果、総合の利得は、周波数がf 21を越えると
6dB10ctで、さらにf。を越えると12dB10
ctの割合で低下するようになる。ここで、Co=nC
ar、/r2、Ro=r2/nとしてnを十分大きくす
れば、f 21とf 22とを十分離すことができるの
で、帰還増幅器を安定化することができる。 第9図(a)に帰還増幅器と位相補償回路の他の実施例
を示す。この回路では、出力段22の入力と出力との間
にキャパシタCFを挿入するコトによって1位相補償を
行っている。この回路の帰還をかけないときの小信号等
価回路を第9図(b)に、その周波数特性を第10図に
示す。この場合は、差動増幅器の方の利得が、Pユ11
 Zよ、P12の3カ所で折れ曲がった特性になる。こ
の場合も前実施例と同様、fi岬f、となるように設定
し、f 11とf1□とを十分離すことによって、帰還
増幅器を安定化することができる。本実施例の特徴は、
位相補償用のキャパシタCFが増幅段の入力と出力との
間に挿入されているため、いわゆるミラー効果により見
掛けの静電容量が大きくなることである。したがって、
実際の静電容量が比較的小さくても位相補償を行うこと
ができるので、キャパシタの占有面積を低減することが
できる。 ここで第7図もしくは第9図の位相補償回路に用いるキ
ャパシタについて説明する。これらのキャパシタとして
は、静電容量がかなり大きく(通常数百〜数千pF)、
Lかも電圧依存性の小さいものが必要である。第11図
(、)に通常のCMOSプロセスでこれを実現する一方
法を示す。 図中、101はP形の半導体基板、102はN形のウェ
ル、103はP十拡散層、104はアイソレーション用
のSin、、105はゲート絶R膜。 106はゲートである。キャパシタは、通常のMOSキ
ャパシタと同じように、ゲート絶縁膜105をはさんで
、ゲート106と基板表面102aとの間に形成される
。キャパシタ絶縁膜として薄いゲート絶縁膜を用いてい
るために、比較的小面積で大きな静電容量が得られるの
が特徴である。ただし、通常のMOSキャパシタと異な
る点は、ゲート下にNウェルがあるために、しきい値電
圧が負であることである。これを同図(b)を用いて説
明する。横軸はキャパシタに印加する電圧(ゲート側が
正)、縦軸は静電容量である。 しきい値電圧は、静電容量が大きく変化するときの印加
電圧v0であるが、vo〈0である。したがって、ゲー
ト側が正になるように一方向の電圧が印加されるかぎり
、その静電容量はほとんど一定であるという特徴がある
。双方向の電圧が印加されうる場合は、(a)に示した
キャパシタを2個用い、第11図(c)のように互いに
逆方向に並列接続すればよい。 本実施例のキャパシタを作るのに必要な工程は。 ウェル形成、アイソレーション領域形成、ゲート絶縁膜
形成、ゲート形成、拡散層形成、および配線の各工程で
あるが、これらはいずれも通常のCMOSプロセスに含
まれている工程である。〔たがって、CMOSプロセス
で作られる半導体装置ならば、本キャパシタを作るため
に特に工程を追加する必要はない。 また、本発明を適用する半導体装置によっては、積層容
量が利用できることがある。たとえば、積層容量をメモ
リセルのキャパシタとして用いたDRAMがそうである
。このような場合は、積層容量を位相補償用キャパシタ
として用いてもよい。 積層容量を用いたDRAMについては、アイ・イー・イ
ー・イー、ジャーナル・オブ・ソリッド・ステート・サ
ーキッツ、第15巻第4号、第661頁から第666頁
、1980年8月(I E E E  Journal
 of 5olid−9tateCircuits、 
Vol、5C−22,No、3+ pp、661−66
6. Aug、  1980)に記述されている。 〔基準電圧発生回路〕 次に、本発明による電圧リミッタ回路に用いるのに適し
た基準電圧発生回路について説明する。 なお、ここで述べる基準電圧発生回路は、位相補償を施
していない電圧リミッタ回路にももちろん用いることが
できる。 電圧リミッタの出力電圧vしは、基準電圧VRを基に作
られる。したがって、VRの特性によって。 VLの特性を任意に設定できる。半導体装置において電
圧リミッタ回路を使用する際には、VLの外部電源電圧
VCC依存性が特に重要であるから、VRのVcc依存
性に特に留意して設計する必要がある。これに関しては
、種々の目的に応じた特性例とその発生法が、特願昭5
6−57143.特願昭56−168698、特願昭5
7−220083、特願昭60−261213、特願昭
63−8372、特願昭63−125742、米国特許
第4100437号などに開示されている。これらの回
路が本発明に適用可能なことはいうまでもない。 第1図〜第4図の実施例では、基準電圧VRを直接駆動
回路に入力していた。しかし、基準電圧発生回路で得ら
れる電圧は、必ずしも半導体装置内で用いる内部電源電
圧として適当な値であるとは限らない。この場合は電圧
の変換が必要になる。 また、場合によっては、基準電圧の製造プロセスによる
ばらつきを補償するために、電圧の微調整、いわゆるト
リミングが必要になることがある。電圧の変換およびト
リミングの方法としては、前記の米国特許第41004
37号に記載されている方法を用いてもよいが、ここで
は通常のMOSプロセスで作られる半導体装置に適した
方法を紹介する。 第12図に回路図を示す1図中、DAは差動増幅器、Q
)1〜04mはPチャネルMOSトランジスタ、F1〜
F、はヒユーズである。VRが入力電圧(基準電圧発生
回路の出力)、VR’が出力電圧(駆動回路の人力とな
る)である。DAの入力端子の一方には、VRが入力さ
れ、他方にはVR’をMOSトランジスタ031〜Q4
1によって分割した電圧V 、+3が帰還されている。 DAの増幅率が十分大きいとすれば、出力電圧VR’は
次式で与えられる。 ここで、R1はQ31〜Q3.から成る回路を等価的に
抵抗とみなしたときの抵抗値、R2はQ 39〜Q4m
から成る回路を等価的に抵抗とみなしたときの抵抗値で
ある。ヒユーズを切断することによりR,、R□が変わ
るので、VR’を調整することができる。 具体的なトリミングの方法を第13図を用いて説明する
。この図は、入力VRと出力VR’との関係を示したも
のである0図中、dがヒユーズを全く切断しないときの
特性である。ヒユーズF0゜F、、F、を順に切断する
と、上記R工が太きくなるので、c、b、aで示すよう
にVR’は高くなる。 ヒユーズF、、Fs、F、を順に切断すると、上記R2
が大きくなるので、eofygで示すようにVR’は低
くなる。したがって、まずVRを観測し、第13図を見
てVR’が最も目標値VR,″に近くなるように、ヒユ
ーズの切断方法を選択すればよい。 われわれの目標は、VRが広い範囲でばらついても、V
R’がある範囲内VRo’±ΔVR’に入るようにする
ことである。そのためには、図中に破線で示したように
、あるトリミング方法(たとえばa)を採用したときに
V R1== V R,j+ΔVR’になるときに、そ
れと隣接するトリミング方法(たとえばb)を採用する
とVR’ = Vn、’ −ΔVR’ Lニーなるよう
に、回路定数(各MOSトランジスタのチャネル幅/チ
ャネル長)を選んでおけばよい。 第14図にトリミング回路の他の実施例を示す。 出力電圧VR’を低くするときは、第12図と同様に、
ヒユーズF4.F、、F、を順に切断すればよい。第1
2図との相違点は、出力電圧VR’を高くする方法にあ
る。この場合は、まずヒユーズF7を切断しくこの時点
で入出力特性は第13図のhのようになるように回路定
数を選んでおく)、次にR4,F、、 F、を順に切断
していけばよい。本回路は、第12図の回路よりもヒユ
ーズの数が少なく、したがって占有面積を小さくできる
という利点がある。 第12図および第14図に示した回路は、前記米国特許
に記載されている回路に比べて、通常のMOSプロセス
で作った場合の占有面積が小さいという利点がある。す
なわち、米国特許に記載されている回路では、出力電圧
VR’を分割するための素子として、抵抗を用いていた
のに対し、第12図および第14図の回路ではMOSト
ランジスタを用いている1回路の消費電流を低減するた
めには、電圧分割用素子の等価抵抗はかなり大きく(数
百にΩ程度)なければならない。通常のMOSプロセス
では、抵抗よりもMOSトランジスタの方が、小面積で
等価抵抗の大きい素子が得られる。ただし、MOSトラ
ンジスタを用いると、そのしきい値電圧の変動によって
VR’の特性が変動することが懸念されるが、各トラン
ジスタのチャネル幅・チャネル長を十分大きくしてばら
つきを抑え、バックゲートをソースに接続して基板電位
変動の影響を回避し、さらにしきい値電圧のばらつき分
も見込んでヒユーズの切断方法を選択することにより、
解決できる。 次に、トリミング回路に用いるMOSトランジスタにつ
いて、第15図によって説明する。前述のように、各ト
ランジスタのパックゲートは、基板電位変動の影響を抑
えるために、それぞれのソースに接続することが望まし
い。たとえば、基板がP形の場合は、同図(a)に示す
ようなPチャネルMOSトランジスタを用いればよい。 基板がN形の場合は、(a)において導電形をすべて逆
にしたNチャネルMOSトランジスタを用いればよい、
また、同図(b)のように、二重のウェル構造にして、
外側のウェル112の電位を固定(ここでは接地)する
ことにより、基板電位変動に対してさらに強くすること
ができる。 次に、トリミング回路に用いるヒユーズについて説明す
る。ヒユーズとしては、たとえば多結晶シリコンなど、
半導体メモリの欠陥救済に用いられているものと同じも
のが利用できる。したがって、欠陥救済回路を有する半
導体メモリならば、ヒユーズを作るために特に工程を追
加する必要はない、ヒユーズの切断方法は、レーザ光を
用いる方法でも、電気的な方法でもよい、レーザ光を用
いる方法には、切断用のトランジスタが不要であるため
、占有面積を小さくできるという利点があり、電気的な
方法には、高価なレーザ光照射装置を用t1なくてもよ
いという利点がある。 第16図(a)にVRからVR’への変換回路の他の実
施例を示す、第12図あるいは第14図の回路との相違
点は、PチャネルMOSトランジスタQ1.を追加した
ことである。これにより、出力電圧vR′ノ最大値はV
cc −I VTP l  (VtpはPチャネルMO
Sトランジスタのしきい値電圧)に抑えられる。これを
同図(b)を用いて説明する。 この図は、VRとVR″のVac依存性を示したもので
ある。第12図あるいは第14図の回路では、Vccが
低いときVR’:Vccである。しかし第16図(a)
の回路では、Q 4mの追加により、Vccが低イトき
VR’ = Vcc −l VTP lと、I VTP
 l (り3分だけ低くなる。 本実施例の利点は、Vccが通常動作状態(たとえば5
V)よりもかなり低いとき(たとえば3V)の、内部電
源電圧Vt、の電圧安定度がよいことである。これを第
16図(0)を用いて説明する。 この図は、第6図もしくは第8図の駆動回路において、
Vccが低いときの出力電圧VLと電流ILの関係の一
例である。VR’を発生するのに第12図あるいは第1
4図の回路を用いた場合は、Vccが低いときは、Vb
押VR’”=Vccであるから、駆動回路の出力MOS
トランジスタ(第6図もしくは第8図のQ。)のドレイ
ン・ソース間電圧がほとんど0であり、電流駆動能力が
小さい、そのため、出力電流(負荷の消費電流)ILが
大きくなると、VLが低下してしまう、これに対してV
R’を発生するのに第16図(a)の回路を用いた場合
は、VL″:VR”= Vcc −I Vtp l テ
あるから、開動回路の出力MOSトランジスタのドレイ
ン・ソース閏電圧はほぼIVtpl(この例では0.5
V)に等しい、したがって、その電流駆動能力は比較的
大きく、vしの低下量は小さい。すなわち、あらかじめ
VLを少し低く設定しておくことにより、電圧変動量を
少なくしている。これにより、vしを電源として動作す
る半導体装置内の回路の、Vccが低いときの動作がよ
り安定になり、Vccに対する動作マージンが大きくな
る。 なお、第16図(a)の回路のQ。も、前述のトリミン
グ回路のMOSトランジスタと同様、基板電位変動の影
響を抑えるために、第15図に示す構造にしておくのが
望ましい。 〔チップ内配置・配線〕 次に、本発明を実際の半導体チップ内に実装する場合の
、回路配置方法、ならびに基準電圧VRや内部電源電圧
vしの配線方法について述べる。 本発明を適用する半導体装置として、ここではDRAM
を例に取り上げるが、もちろん他の半導体装置にも本発
明は適用可能である。また、ここで述べる配置・配線方
法は1位相補償を施していない電圧リミッタ回路に対し
ても有効である。 第17図に電圧リミッタ回路をDRAMに適用した場合
の、望ましい回路配置および配線の一例を示す。図中、
1は半導体チップ、2a、2bは微細MOSトランジス
タで構成されているメモリアレー、3a、3b、3cは
周辺回路である。4゜5はそれぞれ接地、外部電源電圧
Vcc用のポンディングパッド、6は基準電圧発生回路
、7a。 7b、7c、7dは能動回路である。6と7a〜7dと
により電圧リミッタ回路を構成している。 7a、7b、7cはそれぞれ、周辺回路3a。 3b、3cを駆動する内部電源’II圧VL、 、 V
L、 。 ■し、を発生する。7dはメモリアレー2a、2bを駆
動する内部電源電圧VL4を発生する。 本実施例の特徴は、基準電圧発生回路6と駆動回路7a
〜7dとを分離し、基準電圧発生回路は接地電位入力用
ポンディングパッドの近傍に、l!駆動回路それぞれの
負荷回路の近傍に配置したことである。そのため、接地
電位入力用ポンディングパッドから基準電圧発生回路ま
での接地配線8、および各駆動回路から各負荷回路まで
の内部電源電圧配線11a〜lidが短くなり、それら
のインピーダンスが小さくなる。これにより、配線8上
の雑音が減少するので、基準電圧発生回路の接地レベル
が安定し、安定な基準電圧VRが得られる。また、配線
11a〜lidのインピーダンスによる内部電源電圧V
L、〜vL4の電圧降下が減少するので、■L□〜vL
、のレベルが安定し、負荷回路の動作が安定になる。 本実施例のもう一つの特徴は、接地配線の方法にある。 まず、基準電圧発生回路用としては、専用の短い配線8
を設ける。他の回路用としては、配g9a〜9dを設け
る。すなわち、各駆動回路とその負荷回路とは共通の線
で配線するが、他の駆動回路や負荷回路とは分離する。 この配線方式の利点は、各回路が動作するときに流れる
電流によって接地配線上に発生する雑音が、他の回路に
悪影響を与えるのを防止できることである。特に、基準
電圧発生回路の接地配線に雑音が生ずると、すべての内
部電源電圧vL1〜vL4のレベルが変動するので、基
準電圧発生回路用の接地配線だけは必ず他の接地配線と
は分離しておくことが望ましい、また、メモリアレー用
の接地配線も他の接地配線と分離しておくことが望まし
い。なぜならば、DRAMではセンスアンプが増幅動作
を行うとき、多数のデータ線(その容量は通常数千pF
)が同時に充放電され、接地配線に大きな雑音が発生す
るからである。 第18図に回路配置および配線の他の実施例を示す。本
実施例では、周辺回路3がチップの中央に集中して配置
され、さらに接地および外部電源電圧Vcc用のポンデ
ィングパッド4,5もチップの中央に配置されている。 本実施例でも、基準電圧発生回路6は接地電位入力用ポ
ンディングパッドの近傍に、駆動回路7a、7dはそれ
ぞれの負荷回路の近傍に配置されている。 この実施例の利点は、第18図から明らかなように、配
線長が短くなることである。これにより、外部電源電圧
Vccの変動や負荷回路に流れる電流の変動に対して強
くなる。すなわち、前実施例では、Vcc用ポンディン
グパッドと各駆動回路との間の配線10が長いため、そ
のインピーダンスが大きく、負荷回路の消費電流によっ
てVccのレベルが低下する。もちろんこの低下分は各
駆動回路で吸収するようになっているが、低下量があま
りに大きいと吸収しきれなくなり、内部電源電圧VLの
レベルの低下を招くことがある。これに対して本実施例
では、Vcc配線10のインピーダンスが小さいので、
その分大きな負荷電流を流すことができる。またVcc
の低下に対しても強い。 第17図もしくは第18図において、接地配線の雑音を
特に問題にしているのは、基準電圧VRおよび内部1!
源電圧V L 1が接地電位を基準にして発生されるか
らである。逆に、Vfl、 VL、tが外部電源電圧V
ccを基準として発生される場合は、Vcc配線の雑音
の方が問題になる。この場合は、基準電圧発生回路をV
cc用ポンディングパッドの近傍に配置し、Vcc用配
線を各回路ごとに分離すればよい。 なお、第17図もしくは第18図に示した配置・配線方
法において、基準電圧VRを基準電圧発生回路から各駆
動回路まで配線しているが、この配線12にはシールド
を施しておくのが望ましい。 半導体チップ内の他の回路から雑音を受けてVRが変動
するのを防ぐためである。通常の半導体製造プロセスで
実現できるシールド方法の例を次に説明する。 第19図(a)および(b)に、シールドを施した配線
の一実施例のそれぞれ平面図および断面図を示す1図中
、101は半導体基板、104はSin、、108は第
1の配線層、109a。 109b、109cは第2の配線層、113゜114は
層間絶縁膜、115は保護膜である。 109bが基準電圧VRの配線である。その周囲の10
8,109a、109cがシールド用の配線であり、一
定電位(ここでは接地)に固定されている。109bの
下方に108を設けたことにより基板101との容量結
合による雑音を防止でき、左右に109a、109cを
設けたことにより隣接する配線(図示せず)との容量結
合による雑音を防止できる。第19図(c)および(d
)は、シールドを施した配線の他の実施例である。 本実施例では、VRを第1の配線M108bで配線し、
その左右(108a、108c)、下方(106)およ
び上方(109)にそれぞれシールド用配線を設けてい
る。上方にもシールド配線を設けることにより、上方の
空間を通した容量結合による雑音をも防止でき、シール
ドがより効果的になる。さらに同図(e)、(f)のよ
うに、コンタクト孔116a、116c、およびスルー
ホール117a、117cを設けてシールド用配線同士
を接続すれば、シールドが完全になる。第19図(g)
、(b)にシールドを施した配線の他の実施例を示す6
本実施例では、多結晶シリコン層106がVRの配線で
ある。その下方にはウェル112が形成され、P形波散
層107a。 107c、およびコンタクト孔116a。 116cを介して、上方の第1の配線層108に接続さ
れている。すなわち、106の周囲を112、 107
a、116a、  108. 116c。 107cで囲むことによりシールドしている。本実施例
の利点は、シールドに第2の配線層を使用していないの
で、これを第19図(g)の109に示すように、他の
目的に使用できることである。 これは、たとえばVRの配線と他の配線とが交差する部
分に使用するのに有効である。 なお、以上のようなシールドにより、VRと接地との間
に寄生容量が付くが、これはむしろ好ましい効果をもた
らす。この寄生容量は、VR配線の高周波に対するイン
ピーダンスを低減させ、高周波雑音をバイパスさせる、
いわゆるデカップリングコンデンサとして働くからであ
る。シールド線だけでは、デカップリングコンデンサと
して静電容量が不足の場合は、別にキャパシタを付加し
てももちろんさしつかえない。 上の例では、シールド線を固定する電位は接地電位とし
ているが、安定な電位ならば必ずしも接地電位でなくて
もよい。しかし、接地電位にするのが、最も簡単であり
、しかも上に述べたように寄生容量がデカップリングコ
ンデンサとして働くので望ましい、特に、基準電圧発生
回路用の接地配線(第17図、第18図の8)に接続す
るのが、他の回路の動作によって発生する雑音を避ける
意味でよい、前述のようにVRがVccを基準にして発
生される場合は、シールド線はVccに固定する方がよ
い。 第20図に回路配置および配線の他の実施例を示す。図
中、1は半導体メモリチップ、3は周辺回路、7a、7
b、7cはそれぞれ内部電源電圧VLを発生する駆動回
路、14a、14b。 14c、14dは駆動回路の出力を電源として用いて電
圧振幅Vt、のパルスφpit φpit φP3゜φ
P、を発生するパルス発生回路、2a、2b。 2c、2dはそれぞれφPLe φP2e φpss 
φP4によって動作する微細MOSトランジスタを用い
たメモリアレーである。なお、ここでは基準電圧発生回
路は記載を省略しである。第21図にこれらの回路の動
作タイミングを示す。 本実施例の半導体メモリチップ1には単一の外部電源電
圧VCC(たとえば5V)が印加されている。駆動回路
7a、7b、7cからはVccから降下させた内部電源
電圧VL(たとえば3V)が出力され、パルス発生回路
14a、14b、14c。 14dにそれぞれ入力されている。そして、パルス発生
回路には第21図に示すタイミングパルスφ丁と、アド
レス信号a1と逆相のa、が入力されている。 周辺回路3は、外部アドレス信号A+を受けて内部アド
レス信号alおよびa、を、外部制御信号(ここではロ
ウアドレスストローブ信号RAS。 カラムアドレスストローブCAS、および書込みエネー
ブル信号WE)を受けて内部タイミングパルスφTを発
生する0周辺回路は、チップの集積度にはあまり影響し
ないのであえて微細素子を用いる必要がないこと、およ
び外部インタフェースの都合により、外部電源電圧Vc
cで直接動作させているが、もちろん内部電源電圧で動
作させてもよい。 メモリはアドレスによって選択されたアレーのみが動作
する。この例では、B、=”Q” (a、=(111#
)のときアレー28と20が選択(2bと2dは非選択
)、Q、= ”1” (a、=“0″)のときアレー2
bと2dが選択(2aと20は非選択)の状態となる。 そのために、選択されたアレー用のパルスのみが出力さ
れる。すなわち、第21図に示すように、a、=゛′0
”のときは、パルス発生回路14aと14cがタイミン
グパルスφTによりφpit φP、を出力してアレー
2aと20を、逆にaL=“1”のときは、パルス発生
回路14bと14dがタイミングパルスφTによりφp
2t φP、を出力してアレー2bと2dを動作させる
。 本実施例の特徴は、各駆動回路を各パルス発生回路に近
接して配置し、しかもパルス発生回路14bと14cと
で駆動回路7bを共有していることである。そのため、
第36図の従来例に比べて配線が短くなり、配線のイン
ピーダンスが小さくなり、これによって発生する雑音の
レベルを抑えることができる。また、第37図に比べて
、駆動回路数が1個減り、これによってチップ占有面積
と消費電力の低減が実現できる。しかも、パルス発生回
路14bと14cとは同時には動作しないので、駆動回
路7bは1個のパルス発生回路のみを駆動できればよく
、電流駆動能力を2倍にする必要はない。 パルス発生回路14a〜14dは、たとえば第22図に
示した回路で実現できる。第22図において、51は、
PチャネルMOSトランジスタロ6、TQGzとNチャ
ネルMOSトランジスタQ6.。 Q 54から成る2人力NAND回路である。この回路
の電源はVccであり、入力はタイミングパルスとアド
レス信号at(またはai)である。52は。 PチャネルMOSトランジスタQssとNチャネルMO
SトランジスタQ□から成るインバータであり、その電
源はVLであるeatがrtVpC電位Vcc)のとき
にφTが入力されると、内部電源vしの振幅のパルスφ
Pが出力される。なお、ここではNAND回路は外部電
源電圧Vccで動作させているが、内部電源電圧vしで
動作させてもよい。 第23図は、第20図の実施例に比べて、駆動回路の数
をさらに1個減らした例である。アドレス信号at、 
at、タイミングパルスφ丁、およびパルスφP、〜φ
P4は、第20図で説明したものと同じである。 本実施例では、パルス発生回路14aと14bとで駆動
回路7aを、14cと14dとで7bをそれぞれ共有し
ている。そのため、第20図の実施例に比べて、駆動回
路数が1個減り、これによるチップ面積と消費電力を低
減できる。ここで第21図に示すように、14aと14
b、14cと14dとはそれぞれ同時には動作しない。 したがって、駆動回路7aと7bとはそれぞれ1個のパ
ルス発生回路のみを駆動できればよく、駆動能力を2倍
にする必要はない。 第24図は、メモリアレーが8個の分割されている場合
に本発明を適用した実施例である。図中、1は半導体チ
ップ、3は周辺回路、2a〜2hはメモリアレー、7a
、7bは駆動回路、14a〜14hはパルス発生回路で
ある0本実施例では、8個のアレーのうち2個がアドレ
ス信号ass aJによって選択され、選択されたアレ
ーのみが動作する。すなわち、a+aJ=“oO”のと
きは2aと2e、 alaJ: ”01”のときは2b
と2f、a t a J= ”10”のときは2Cと2
g、 31i1j::“11″′のときは2dと2hが
それぞれ選択される。そのため、選択されたアレー用の
パルスφPk(k=1〜8)のみが出力される。すなわ
ち、第25図に示すように、アドレス信号aiaJ=“
00″のときはパルスφP1とφF @ & 81 a
 J ””“01′″のときはパルスφP2とφP@+
 aiaJ=”10”のときはパルスφP、とφP、、
ataa=“11”″のときはパルスφP4とφP、が
それぞれ出力される。これらのパルスφph(k=1〜
8)は。 φTのタイミングで出力されるパルスであり、その振幅
は内部電源電圧VLである。 本実施例では、メモリアレーを動作させるための8個の
パルス発生回路で2個の開動回路を共有している。この
ようにすることにより、l!動回路数を大幅に減らすこ
とができ、占有面積と消費電力の低減を実現することが
できる。 (DRAMへの適用例〕 最後に1本発明をDRAMに適用した例について述べる
。第26図は本発明を適用したDRAMの構成図である
0図中、201は電源電圧(Vcc)供給用ポンディン
グパッドで、外部電源に接続されている。202は差動
増幅器、203は内部降圧された電源電圧(VL)の供
給線、204はPチャネルMOSセンスアンプの起動M
OSトランジスタ、205はNチャネルMOSセンスア
ンプの起動MOSトランジスタ、206はPチャネルM
OSセンスアンプ、207はNチャネルMOSセンスア
ンプ、208はメモリセル、209はPチャネルMOS
センスアンプのN形ウェル部、210はセルアレ一部と
センスアンプ部を含むメモリブロック、211はXデコ
ーダ、212はYデコーダ、213はショート・プリチ
ャージ信号線、214は電源11Vb/2である。電源
電圧Vccは、Xデコーダ、Yデコーダ、ゲート保護な
らびに信号発生回路などの周辺回路で使う。内部降圧さ
れた電源電圧vしは、本実施例の場合、センスアンプ起
動MOSトランジスタ204につながるPチャネルMO
Sセンスアンプのソース電源およびPチャネルMOSト
ランジスタのバックゲート(ウェル)とYデコーダの一
部に使っている。 センスアンプのようないわゆるCMO8回路の場合、P
形の基板を用いると、PチャネルMOSトランジスタは
N形のウェル内に形成されるのが普通である。この場合
、第27図の断面図に示すように、Nウェル(Pチャネ
ルMOSトランジスタのバックゲート)の電位は外部電
源電圧Vccではなく、そのソースに供給される動作電
圧(この場合はV L )とするのが望ましい。この理
由を次に述べる。 たとえばVcc=5V、VL、=3Vとすると、データ
線プリチャージレベルが1.5vであるから、センスア
ンプ起動前、PチャネルMOSトランジスタには1.5
vのバックゲートバイアスがかかり、起動後はOvにな
る。第34図を例にとると、センスアンプ起動前のしき
い値電圧(絶対値)は約Q、86V、起動後は約0.5
7V−?’ある。もしNウェル電圧をVcc(=5V)
としていると、各々1.IV、0.92VとなiJ、V
t、、ニ対しあまりに大きい。第28図は、上記DRA
Mのセンス系の動作速度を、PチャネルMOSトランジ
スタのしきい値電圧に対してプロットした図である・同
図かられかるように、0.IVのしきい値電圧上昇は約
2nsの遅延に相当するので、この場合Nウェル電圧を
VL、(=3V)とすることで約5ns以上の高速化が
実現できることがわかる。超高集積化時代のCMO8L
SIは、より動作電圧を下げ、基板(ウェル)濃度を上
げる(バンクゲートバイアス効果が大きくなる)傾向が
あるので、上記本発明の効果はさらに重要になる。 ここで、Nウェル電圧をPチャネルMOSトランジスタ
に供給される内部?1!gs圧vしと等しくするにあた
り、容量結合などによるNウェル電圧の変動が懸念され
る。第26図に示した実施例は。 データ線はVL/2にプリチャージされるので、Pチャ
ネルMOSトランジスタが動作するとき、ドレイン電圧
が上昇するものと下降するものとが対を成し、雑音はき
わめて小さい。したがって。 Nウェル電圧の変動によるラッチアップ等の問題は発生
しない。 以上、センスアンプを例にとって説明したが、同様の手
法は、他のCMO8回路に対しても適用できる。また、
DRAMに限らず、2種類以上の異なる動作電圧を有す
るCMO8−LS Iならば適用可能である。また、本
発明の実施例において、半導体の導電形、電位関係をす
べて逆にしても、本発明が成立することは明らかである
。 (発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、電圧リミッタ回
路が多くの種類の負荷を駆動する必要があり、また負荷
の種類や大きさが動作モードによって変動する場合でも
、負荷の種類や動作モードに応じた最適な位相補償が可
能になり、電圧リミッタの動作を安定化できる。 また、内部電圧を電源として用いる負荷回路が半導体チ
ップ内に複数個ある場合、各駆動回路から各負荷回路ま
での配線を短くすることができるので、雑音レベルを低
く抑えることができる・また、駆動回路の駆動能力を増
加させることなく、回路数を減らすことができるので、
占有面積および消費電力を低減することができる。 また、内部降圧された動作電圧を用いるCMO8回路に
おいて、ウェル内に形成されているトランジスタのバッ
クゲート(ウェル)の電圧を降圧された電圧と等しくす
ることにより、回路の高速化が可能になり、超高集積化
LSIの高信頼性、高速性を併せて実現することができ
る。 また、内部降圧された動作電圧を用いるCMO8回路に
おいて、ウェル内に形成されているトランジスタのバッ
クゲート(ウェル)の電圧を降圧された電圧と等しくす
ることにより、回路の高速化が可能になり、超高集積化
LSIの高信頼性、高速性を併せて実現することができ
る。
When a voltage limiter needs to drive many types of loads, it is possible to achieve optimal phase compensation according to the type of load by dividing the drive circuit into multiple parts according to the load and applying phase compensation to each. become. In addition, it is possible to change the circuit constants of the drive circuit and phase compensation circuit depending on the operation mode of the semiconductor device, or to provide separate drive circuits for each operation mode and connect their outputs to use as the output of the voltage limiter. This enables optimal phase compensation in response to load fluctuations. This makes it possible to create a voltage limiter circuit with stable operation. By placing the voltage limiter circuit and a load circuit such as a pulse generator circuit that uses its output as a power source in close proximity, the impedance of the wiring between them can be reduced, and the level of noise generated can be suppressed. can. Furthermore, the number of voltage limiter circuits can be reduced by sharing one voltage limiter circuit among a plurality of load circuits that are selected/unselected by a control signal such as an address signal. Therefore, the area occupied by the circuit and the power consumption can be reduced. Here, the voltage limiter circuit only needs to drive the circuit in the selected state among the load circuits. Therefore, there is no need to increase the current drive capability of the voltage limiter circuit by sharing. In 0MO8-LSI, MO formed in the well
By setting the well voltage to the internal power supply voltage VL, the S transistor can prevent the threshold voltage from increasing due to the back gate bias effect. [Example] Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device using MO3 technology will be mainly shown, but the present invention can also be applied to other semiconductor devices, such as bipolar or BiCMO8 semiconductor devices. Further, although the case where the external power supply voltage and the internal power supply voltage are positive will be described, the present invention can be applied even when the external power supply voltage and the internal power supply voltage are negative by reversing the polarity of the transistor. [Basic Concept] First, the basic concept of the present invention will be explained. FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In the figure, VL is a voltage limiter circuit, which generates internal power supply voltages VL□ to VL from external power supply voltage Vcc. The voltage limiter circuit VL consists of a reference voltage generation circuit VR and sleep circuits B-B3. The reference voltage generation circuit VR generates a stable voltage VR with little variation due to external power supply voltage Vcc or temperature, and each drive circuit B generates a voltage V with a large current drive capability based on VR.
Generate L t. Each drive circuit B1 includes a feedback amplifier At and a phase compensation circuit CI.
Consists of. Z engineering to Z are circuits in the semiconductor device that serve as loads for the voltage limiter circuit VL, and v11 to v, respectively.
It operates using L3 as a power source. φ1 to φ are timing signals that control the load circuits 20 to Z, respectively. φ
1' to φ3' are timing signals synchronized with φ□ to φ, respectively. The first feature of this embodiment is that the internal circuit that serves as the load of the voltage limiter circuit is constructed by Z-2. Accordingly, the drive circuit in the voltage limiter circuit is also divided into three parts, B1 to B3, and phase compensation is applied to each part. Generally, circuits within a semiconductor device include an extremely wide variety of elements such as capacitance, resistance, inductance, nonlinear elements, or combinations thereof. Moreover, they exist dispersedly (ie, in a distributed constant manner) on the semiconductor chip. Phase compensation for stable operation of a feedback amplifier with such a complex load is extremely difficult. If the load circuit is divided into a plurality of parts according to type and size as in this embodiment, it becomes relatively easy to design a feedback amplifier and a phase compensation circuit suitable for each load circuit. This makes it possible to stabilize the operation of each drive circuit. Examples of ways to divide a load circuit include dividing it into resistive loads and capacitive loads, dividing it according to load size (current consumption), dividing it according to circuit operation timing, and dividing it into a resistive load and a capacitive load. Possible methods include dividing the data according to its physical location. When divided by physical location, it is desirable to distribute the drive circuits B1 to B as necessary. A second feature of this embodiment is that each drive circuit B receives a signal φ,' synchronized with a timing signal φi that controls each load. Generally, the current flowing through a circuit within a semiconductor device varies greatly depending on the operating mode. This means that the impedance of the load changes when viewed from the power supply side. In order to cope with such load fluctuations, this embodiment uses a timing signal φ1'. By changing the circuit constants of the feedback amplifier Ai and the phase compensation circuit C8 by φ1', the characteristics can be always adapted to the operation mode of the load. Thereby, the operation of the drive circuit can always be stabilized. Note that in this embodiment, the operating voltage V of the load circuits z1 to Z
It is assumed that the levels of L□ to VL are all equal. Therefore, only one reference voltage generation circuit is provided, and its output VR
is commonly used in drive circuits B to B1. If the operating voltage differs depending on the load circuit, a plurality of reference voltage generating circuits may be provided as shown in FIG. Alternatively, only one reference voltage generation circuit may be provided, and a voltage conversion mechanism may be provided within the drive circuits B1 to B. FIG. 3 shows another embodiment of the invention. The feature of this embodiment is that the load circuit 2. A plurality of (two in this case) drive circuits are provided corresponding to the operating modes of the drive circuit, and their outputs are switched by a switch. A timing signal φ1'' synchronized with the operation of the Z mechanism and its complementary signal Iφ1' are input to each of the drive circuits B and B.
One of the outputs v, 1, and V L x z is selected by the switch SW and supplied to the load Z. φ1′
When 5/φ1' is at a low level, B81 is activated, B12 is inactivated, switch SW is set to v, and 1
connected to the side. Conversely, when φ□'' is at a low level and tφ,'' is at a high level, Bo is inactivated, B2 is activated, and the switch SW is connected to the V L > 2 side. That is, two drive circuits B1, B1. Only one of them is used to supply the internal power supply voltage VL to the load circuit Z, the other being in a disconnected state. In the embodiment shown in FIG. 1, a method was adopted in which the circuit constants of the drive circuit were changed in order to cope with load fluctuations. However, the impedance of the load varies significantly depending on the operating mode, and it may be difficult to operate stably in multiple operating modes simply by changing circuit constants. The method of this embodiment is effective in such cases. This is because each drive circuit only needs to be designed for one operating mode. For example, suppose that there is a very large change in current consumption between when Z is in an operating state and when it is in a standby state. In this case, the feedback amplifier and phase compensation circuit should be designed so that drive circuits B1 and B12 operate stably when Z is in the operating state, and drive circuit B12 operates stably when Z4 is in the standby state. good. In this embodiment, the drive circuit that is not used is inactivated, but this is not necessarily necessary. This is because the unused drive circuit is disconnected by the switch. However, in order to reduce power consumption, it is preferable to keep it in an inactive state. Further, although the output of the drive circuit is switched by a switch, if the drive circuit is designed so that its output becomes high impedance when it is inactive, the switch is not necessary. In the embodiment shown in FIG. 1, since the drive circuit is divided,
There is a concern that a difference in potential may occur between the internal power supply voltages VL, .about.v. If the potential difference between the internal power supply voltages is large,
When signals are exchanged between the load circuits Z and Z, mismatches may occur or elements may be destroyed. FIG. 4 shows one method for preventing this. For simplicity,
This figure shows a case where the load and drive circuit are divided into two parts. In this embodiment, two internal power supply voltages are connected by two N-channel MOS transistors Q1 and Q2. If the threshold voltage of the MOS transistor is VTR, then Q is VLl-VL, > VTH(7),
Q2 is VL2 VLt > VT) + (7) Toi!
! Nisoreso h is conductive. Therefore, VLl and VL2
The potential difference between the internal power supply voltages is maintained within VTH.9 The method of connecting the internal power supply voltages is not limited to that shown in FIG. 4, but some examples are shown in FIG. The simplest method is to connect using a resistor or an element that can equivalently be regarded as a resistor, as shown in (a) to c) of the same figure. Similarly to FIG. 4, FIG. 4(d) shows a method of preventing the potential difference between the internal power supply voltages from exceeding a certain value. Here, a diode D is used instead of a MOS transistor.
0 and B2 are used. The potential difference between Vc and VL is suppressed to within the on-voltage of the diode. Same figure (
e) is a method of connecting 1 and VL2 using a signal WK which becomes high level only immediately after the power is turned on. This is particularly effective in preventing a potential difference from occurring when the rise time constants of the loads VL and VL2 are significantly different. Of course, Figures 4 and 5 (a) to (e)
A connection method that combines some of these methods may also be used. Note that the connection method described here is also effective for voltage limiters that are not subjected to phase compensation. In FIGS. 1 to 4, the load circuit is represented by a single impedance Zl for simplicity. However, in actual semiconductor devices, the load is often distributed within the semiconductor chip, as shown in FIG. In this case, 1
Feedback may be applied to the amplifier A from the middle or far end of the distributed load. In the example in the figure, the distributed load 2 is applied to A□.
Feedback is applied from the near end of the
Returns are applied from the far ends of 31 to ZXS. The advantage of doing so is that it is possible to compensate for a drop in the internal power supply voltage due to the impedance of the wiring, and to stabilize the operation of a load that is far from the drive circuit. When feedback is applied from the middle or far end of a distributed load, it is desirable that the input of the phase compensation circuit is also taken from the same location. [Feedback Amplifier and Phase Compensation Circuit] Next, a feedback amplifier and a phase compensation circuit suitable for use in the present invention will be described. FIG. 7(a) shows an embodiment of the feedback amplifier A and the phase compensation circuit CI. In the figure, 21 is a differential amplifier, which is a MOS
Transistor Q2. ~ Consists of Q□. 22 is an output stage, and MOS transistor 02 G j
It consists of Q x q. Of the two input terminals of the differential amplifier 21, the reference voltage VR is input to one, and the voltage V is fed back from the output stage to the other. Ct is a phase compensation circuit in which a resistor Rn and a capacitor CD are connected in series. A small signal equivalent circuit of this circuit without feedback is shown in FIG. 7(b). For simplicity, the capacity C with a single load
This shows the case where Here, gmxtgmz are the transfer conductance of the differential amplifier and the output stage, r
ll and r are the output resistances of the differential amplifier and output stage, respectively, and Ca is the input capacitance of the output stage (gate capacitance of Q26). The frequency characteristics of this circuit will be explained using FIG. First, the case where no phase compensation is applied will be described. (a) shows the relationship between frequency and gain when there is no phase compensation circuit. In the figure, a is the gain v+'/vt of the differential amplifier 21
, b is the gain Vo/Vt' of the output stage 22, and C is the total gain vo/vs. a and b begin to decrease at a rate of 6 dB10 ct at frequencies f, , f, respectively. Here, . In this example, since fl>ft, the overall gain C decreases at a rate of 6 dB10 ct when the frequency exceeds f3, and 12 dB 10 ct when the frequency further exceeds f2. These points f2 and f8 are so-called pole frequencies. As mentioned above, in order for the feedback amplifier to operate stably,
The gain at the point where it starts to decrease at 12 dB 10 ct (here f) must be O dB or less. As is clear from the figure, when fl and f2 are relatively close,
This condition is often not met. Therefore, f□
By separating f2 and f2 sufficiently, the feedback amplifier can be stabilized. If the phase compensation circuit CI is added here, the frequency characteristics will become as shown in FIG. 2(b). In other words, the gain of the differential amplifier 21 remains the same, but the gain of the output stage is P2□j 221
It has a characteristic that is bent at three places on P22. Po and P. is a pole, and Z2 is a point called a zero point. The frequencies of these points are: As is clear from this figure, by setting f2 near the pole frequency f□ of the differential amplifier, that is, C
By setting the oRo valve Car, the total gain f
The bend at l is eliminated. As a result, the overall gain is 6 dB10 ct when the frequency exceeds f21, and further f. 12dB10 when exceeding
It starts to decrease at the rate of ct. Here, Co=nC
If n is made sufficiently large by setting ar, /r2, Ro=r2/n, f21 and f22 can be separated sufficiently, and the feedback amplifier can be stabilized. FIG. 9(a) shows another embodiment of the feedback amplifier and phase compensation circuit. In this circuit, one phase compensation is performed by inserting a capacitor CF between the input and output of the output stage 22. A small signal equivalent circuit of this circuit without feedback is shown in FIG. 9(b), and its frequency characteristics are shown in FIG. 10. In this case, the gain of the differential amplifier is
Z, the characteristics are bent in three places on P12. In this case, as in the previous embodiment, the feedback amplifier can be stabilized by setting fi to be f, and by separating f11 and f1□ sufficiently. The features of this embodiment are as follows:
Since the phase compensation capacitor CF is inserted between the input and output of the amplification stage, the apparent capacitance increases due to the so-called Miller effect. therefore,
Since phase compensation can be performed even if the actual capacitance is relatively small, the area occupied by the capacitor can be reduced. Here, the capacitor used in the phase compensation circuit of FIG. 7 or 9 will be explained. These capacitors have fairly large capacitances (typically hundreds to thousands of pF);
It is also necessary for L to have small voltage dependence. FIG. 11(,) shows one way to achieve this using a normal CMOS process. In the figure, 101 is a P-type semiconductor substrate, 102 is an N-type well, 103 is a P-type diffusion layer, 104 is a Sin film for isolation, and 105 is a gate isolation R film. 106 is a gate. The capacitor, like a normal MOS capacitor, is formed between the gate 106 and the substrate surface 102a with the gate insulating film 105 in between. Since a thin gate insulating film is used as the capacitor insulating film, a feature is that a large capacitance can be obtained in a relatively small area. However, the difference from a normal MOS capacitor is that the threshold voltage is negative because there is an N-well under the gate. This will be explained using FIG. 4(b). The horizontal axis is the voltage applied to the capacitor (positive on the gate side), and the vertical axis is the capacitance. The threshold voltage is the applied voltage v0 when the capacitance changes significantly, and vo<0. Therefore, as long as a voltage is applied in one direction so that the gate side is positive, the capacitance is almost constant. If a bidirectional voltage can be applied, two capacitors shown in (a) may be used and connected in parallel in opposite directions as shown in FIG. 11(c). What are the steps required to make the capacitor of this example? The steps of forming a well, forming an isolation region, forming a gate insulating film, forming a gate, forming a diffusion layer, and wiring are all steps included in a normal CMOS process. [Therefore, if the semiconductor device is manufactured using a CMOS process, there is no need to add any special steps to manufacture this capacitor. Further, depending on the semiconductor device to which the present invention is applied, a stacked capacitor may be used. For example, a DRAM uses a stacked capacitor as a memory cell capacitor. In such a case, a multilayer capacitor may be used as a phase compensation capacitor. Regarding DRAM using stacked capacitors, see IE, Journal of Solid State Circuits, Vol. 15, No. 4, pp. 661-666, August 1980 (I.E.E. E Journal
of 5olid-9tate circuits,
Vol, 5C-22, No, 3+ pp, 661-66
6. Aug, 1980). [Reference Voltage Generating Circuit] Next, a reference voltage generating circuit suitable for use in the voltage limiter circuit according to the present invention will be described. Note that the reference voltage generation circuit described here can of course also be used in a voltage limiter circuit that does not perform phase compensation. The output voltage v of the voltage limiter is created based on the reference voltage VR. Therefore, due to the characteristics of VR. VL characteristics can be set arbitrarily. When using a voltage limiter circuit in a semiconductor device, the dependence of VL on external power supply voltage VCC is particularly important, so it is necessary to design it with particular attention to the dependence of VR on Vcc. Regarding this, examples of characteristics and their generation methods for various purposes are disclosed in the patent application issued in 1973.
6-57143. Patent application 1986-168698, patent application 1973
7-220083, Japanese Patent Application No. 60-261213, Japanese Patent Application No. 63-8372, Japanese Patent Application No. 63-125742, and US Pat. No. 4,100,437. It goes without saying that these circuits are applicable to the present invention. In the embodiments shown in FIGS. 1 to 4, the reference voltage VR was directly input to the drive circuit. However, the voltage obtained by the reference voltage generation circuit does not necessarily have a value appropriate as an internal power supply voltage used within a semiconductor device. In this case, voltage conversion is required. Further, in some cases, fine adjustment of the voltage, so-called trimming, may be necessary to compensate for variations in the reference voltage due to the manufacturing process. Voltage conversion and trimming methods are described in the aforementioned U.S. Pat. No. 41,004.
Although the method described in No. 37 may be used, a method suitable for semiconductor devices manufactured by a normal MOS process will be introduced here. Figure 12 shows the circuit diagram, DA is a differential amplifier, Q
)1~04m are P channel MOS transistors, F1~
F is a fuse. VR is the input voltage (output of the reference voltage generation circuit), and VR' is the output voltage (becomes the human power of the drive circuit). VR is input to one of the input terminals of DA, and VR' is input to the other input terminal of MOS transistors 031 to Q4.
The voltage V, +3 divided by 1 is fed back. If the amplification factor of DA is sufficiently large, the output voltage VR' is given by the following equation. Here, R1 is Q31 to Q3. The resistance value when the circuit consisting of is equivalently regarded as a resistance, R2 is Q39~Q4m
This is the resistance value when the circuit consisting of is equivalently regarded as a resistance. Since R, and R□ change by cutting the fuse, VR' can be adjusted. A specific trimming method will be explained using FIG. 13. This figure shows the characteristic when d in Figure 0 shows the relationship between input VR and output VR' and does not cut the fuse at all. When the fuses F0°F, , F are cut in order, the R becomes thicker, so VR' becomes higher as shown by c, b, and a. When fuses F, , Fs, and F are cut in order, the above R2
becomes larger, so VR' becomes lower as shown by eofyg. Therefore, first observe VR, and then select the fuse cutting method so that VR' is closest to the target value VR,'' by looking at Figure 13.Our goal is to ensure that VR varies over a wide range. Even though, V
The purpose is to make R' fall within a certain range VRo'±ΔVR'. To do this, as shown by the broken line in the figure, when a certain trimming method (for example, a) is adopted and V R1 == VR, j + ΔVR', the adjacent trimming method (for example, b) is used. If adopted, the circuit constants (channel width/channel length of each MOS transistor) may be selected so that VR' = Vn, '-ΔVR' L knee. FIG. 14 shows another embodiment of the trimming circuit. When lowering the output voltage VR', as in Fig. 12,
Hughes F4. It is sufficient to cut F, , F, in order. 1st
The difference from FIG. 2 lies in the method of increasing the output voltage VR'. In this case, first cut fuse F7 (at this point, select the circuit constants so that the input/output characteristics are as shown in h in Figure 13), then cut R4, F, , F in order. Just go. This circuit has the advantage that it has fewer fuses than the circuit of FIG. 12, and therefore occupies a smaller area. The circuits shown in FIGS. 12 and 14 have the advantage that they occupy a smaller area when fabricated using a normal MOS process than the circuits described in the aforementioned US patents. That is, in the circuit described in the U.S. patent, a resistor is used as an element for dividing the output voltage VR', whereas in the circuits shown in FIGS. 12 and 14, a MOS transistor is used. In order to reduce the current consumption of the circuit, the equivalent resistance of the voltage dividing element must be quite large (on the order of several hundred ohms). In a normal MOS process, an element with a smaller area and larger equivalent resistance can be obtained from a MOS transistor than from a resistor. However, if MOS transistors are used, there is a concern that the characteristics of VR' will fluctuate due to fluctuations in the threshold voltage. However, by making the channel width and length of each transistor sufficiently large to suppress variations, By connecting it to the source to avoid the effects of substrate potential fluctuations, and selecting the fuse cutting method taking into account variations in threshold voltage,
Solvable. Next, the MOS transistor used in the trimming circuit will be explained with reference to FIG. As described above, it is desirable that the pack gates of each transistor be connected to their respective sources in order to suppress the effects of substrate potential fluctuations. For example, if the substrate is P-type, a P-channel MOS transistor as shown in FIG. 3(a) may be used. If the substrate is N-type, an N-channel MOS transistor with all conductivity types reversed in (a) may be used.
In addition, as shown in the same figure (b), a double well structure is used,
By fixing the potential of the outer well 112 (grounded here), it is possible to further strengthen the structure against substrate potential fluctuations. Next, the fuse used in the trimming circuit will be explained. Examples of fuses include polycrystalline silicon, etc.
The same material used to repair defects in semiconductor memory can be used. Therefore, if the semiconductor memory has a defect relief circuit, there is no need to add a special process to make the fuse.The method for cutting the fuse may be a method using laser light or an electrical method. This method has the advantage that it can occupy a small area because it does not require a transistor for cutting, and the electrical method has the advantage that it does not require the use of an expensive laser beam irradiation device. FIG. 16(a) shows another embodiment of a VR to VR' conversion circuit, which differs from the circuit of FIG. 12 or FIG. 14 in that it includes a P-channel MOS transistor Q1. This is the addition of . As a result, the maximum value of the output voltage vR' is V
cc -I VTP l (Vtp is P channel MO
S transistor threshold voltage). This will be explained using FIG. 4(b). This figure shows the Vac dependence of VR and VR''. In the circuit of FIG. 12 or 14, when Vcc is low, VR': Vcc. However, as shown in FIG.
In this circuit, Vcc becomes low due to the addition of Q4m.
The advantage of this embodiment is that when Vcc is under normal operating conditions (for example,
The voltage stability of the internal power supply voltage Vt is good when it is considerably lower than Vt (for example, 3V). This will be explained using FIG. 16(0). This figure shows that in the drive circuit of FIG. 6 or 8,
This is an example of the relationship between output voltage VL and current IL when Vcc is low. Figure 12 or Figure 1 is used to generate VR'.
When using the circuit shown in Figure 4, when Vcc is low, Vb
Since press VR'''=Vcc, the output MOS of the drive circuit
The voltage between the drain and source of the transistor (Q in Figure 6 or Figure 8) is almost 0, and the current drive capability is small. Therefore, when the output current (current consumption of the load) IL increases, VL decreases. V
When the circuit shown in Fig. 16(a) is used to generate R', the drain-source leap voltage of the output MOS transistor of the open circuit is approximately IVtpl (0.5 in this example
Therefore, its current drive capability is relatively large, and the amount of decrease in v is small. That is, by setting VL a little low in advance, the amount of voltage fluctuation is reduced. As a result, the operation of a circuit within the semiconductor device that operates using V as a power source when Vcc is low becomes more stable, and the operating margin with respect to Vcc becomes larger. Note that the Q of the circuit in FIG. 16(a). Similarly to the MOS transistor of the trimming circuit described above, it is desirable to have the structure shown in FIG. 15 in order to suppress the influence of substrate potential fluctuations. [Internal Chip Arrangement/Wiring] Next, a circuit arrangement method and a wiring method for the reference voltage VR and internal power supply voltage v will be described when the present invention is implemented in an actual semiconductor chip. Here, a DRAM is used as a semiconductor device to which the present invention is applied.
will be taken as an example, but the present invention is of course applicable to other semiconductor devices. Furthermore, the arrangement and wiring method described here is also effective for voltage limiter circuits that are not subjected to one-phase compensation. FIG. 17 shows an example of a desirable circuit layout and wiring when a voltage limiter circuit is applied to a DRAM. In the figure,
1 is a semiconductor chip, 2a and 2b are memory arrays made up of fine MOS transistors, and 3a, 3b, and 3c are peripheral circuits. 4.5 is a grounding pad and a bonding pad for external power supply voltage Vcc, 6 is a reference voltage generation circuit, and 7a. 7b, 7c, and 7d are active circuits. 6 and 7a to 7d constitute a voltage limiter circuit. 7a, 7b, and 7c are peripheral circuits 3a, respectively. Internal power supply 'II voltage VL, , V that drives 3b and 3c
L. ■ and generate. 7d generates an internal power supply voltage VL4 for driving memory arrays 2a and 2b. The features of this embodiment include the reference voltage generation circuit 6 and the drive circuit 7a.
~7d, and the reference voltage generation circuit is located near the ground potential input pad. The reason is that each drive circuit is placed near the load circuit. Therefore, the ground wiring 8 from the ground potential input bonding pad to the reference voltage generation circuit and the internal power supply voltage wiring 11a to lid from each drive circuit to each load circuit are shortened, and their impedances are reduced. As a result, the noise on the wiring 8 is reduced, so that the ground level of the reference voltage generation circuit is stabilized, and a stable reference voltage VR can be obtained. Also, the internal power supply voltage V due to the impedance of the wiring 11a to lid
Since the voltage drop of L, ~vL4 decreases, ■L□ ~vL
The level of , becomes stable, and the operation of the load circuit becomes stable. Another feature of this embodiment is the method of ground wiring. First, a dedicated short wiring 8 is used for the reference voltage generation circuit.
will be established. For other circuits, arrangements g9a to g9d are provided. That is, each drive circuit and its load circuit are wired using a common line, but are separated from other drive circuits and load circuits. The advantage of this wiring system is that noise generated on the ground wiring due to the current flowing when each circuit operates can be prevented from adversely affecting other circuits. In particular, if noise occurs in the ground wiring of the reference voltage generation circuit, the levels of all internal power supply voltages vL1 to vL4 will fluctuate, so be sure to separate the ground wiring for the reference voltage generation circuit from other ground wiring. It is also desirable to separate the ground wiring for the memory array from other ground wiring. This is because when a sense amplifier performs an amplification operation in a DRAM, there are many data lines (the capacitance of which is usually several thousand pF).
) are charged and discharged at the same time, causing large noise in the ground wiring. FIG. 18 shows another example of circuit layout and wiring. In this embodiment, the peripheral circuit 3 is arranged in a concentrated manner in the center of the chip, and the bonding pads 4 and 5 for grounding and external power supply voltage Vcc are also arranged in the center of the chip. In this embodiment as well, the reference voltage generation circuit 6 is placed near the ground potential input bonding pad, and the drive circuits 7a and 7d are placed near their respective load circuits. The advantage of this embodiment is that the wiring length is shortened, as is clear from FIG. This makes it resistant to fluctuations in the external power supply voltage Vcc and fluctuations in the current flowing through the load circuit. That is, in the previous embodiment, since the wiring 10 between the Vcc bonding pad and each drive circuit is long, its impedance is large, and the level of Vcc is lowered by the current consumption of the load circuit. Of course, each drive circuit is designed to absorb this decrease, but if the amount of decrease is too large, it may not be able to be absorbed completely, which may lead to a decrease in the level of internal power supply voltage VL. On the other hand, in this embodiment, since the impedance of the Vcc wiring 10 is small,
A larger load current can be passed accordingly. Also, Vcc
It is also resistant to decreases in In FIG. 17 or 18, the noise in the ground wiring is particularly problematic because of the reference voltage VR and the internal 1!
This is because the source voltage V L 1 is generated with the ground potential as a reference. Conversely, Vfl, VL, t are external power supply voltages V
If the noise is generated based on cc, the noise of the Vcc wiring becomes more of a problem. In this case, the reference voltage generation circuit is set to V
It is sufficient to arrange the Vcc wiring near the CC bonding pad and separate the Vcc wiring for each circuit. Note that in the layout/wiring method shown in FIG. 17 or 18, the reference voltage VR is wired from the reference voltage generation circuit to each drive circuit, but it is desirable that this wire 12 be shielded. . This is to prevent VR from varying due to noise from other circuits within the semiconductor chip. An example of a shielding method that can be realized in a normal semiconductor manufacturing process will be described next. FIGS. 19(a) and 19(b) show a plan view and a cross-sectional view, respectively, of an example of shielded wiring, in which 101 is a semiconductor substrate, 104 is a Sin, and 108 is a first wiring. Layer, 109a. 109b and 109c are second wiring layers, 113° and 114 are interlayer insulating films, and 115 is a protective film. 109b is a wiring for the reference voltage VR. 10 around it
Shield wirings 8, 109a, and 109c are fixed at a constant potential (here, grounded). By providing 108 below 109b, noise due to capacitive coupling with the substrate 101 can be prevented, and by providing 109a and 109c on the left and right sides, noise due to capacitive coupling with adjacent wiring (not shown) can be prevented. Figures 19(c) and (d)
) is another example of shielded wiring. In this embodiment, VR is wired with the first wiring M108b,
Shield wiring is provided on the left and right (108a, 108c), below (106) and above (109), respectively. By providing shield wiring above as well, it is possible to prevent noise due to capacitive coupling through the space above, making the shielding more effective. Further, as shown in FIGS. 12(e) and 11(f), contact holes 116a, 116c and through holes 117a, 117c are provided to connect the shielding wirings, thereby completing the shielding. Figure 19(g)
, (b) shows another example of shielded wiring 6
In this embodiment, the polycrystalline silicon layer 106 is the VR wiring. A well 112 is formed below it, and a P-type wave diffusion layer 107a. 107c, and contact hole 116a. It is connected to the upper first wiring layer 108 via 116c. In other words, the surroundings of 106 are 112, 107
a, 116a, 108. 116c. It is shielded by surrounding it with 107c. The advantage of this embodiment is that since the second wiring layer is not used for the shield, it can be used for other purposes as shown at 109 in FIG. 19(g). This is effective when used, for example, at a portion where VR wiring and other wiring intersect. Note that although the above-described shield creates a parasitic capacitance between VR and ground, this has a rather favorable effect. This parasitic capacitance reduces the impedance of the VR wiring to high frequencies and bypasses high frequency noise.
This is because it functions as a so-called decoupling capacitor. If the shield wire alone does not have enough capacitance as a decoupling capacitor, it is of course possible to add a separate capacitor. In the above example, the potential for fixing the shield wire is the ground potential, but it does not necessarily have to be the ground potential as long as it is a stable potential. However, it is easiest to set it to the ground potential, and as mentioned above, it is desirable because the parasitic capacitance acts as a decoupling capacitor. It is better to connect the shield wire to 8) in order to avoid noise generated by the operation of other circuits.If VR is generated based on Vcc as mentioned above, it is better to fix the shield wire to Vcc. good. FIG. 20 shows another example of circuit layout and wiring. In the figure, 1 is a semiconductor memory chip, 3 is a peripheral circuit, 7a, 7
b and 7c are drive circuits 14a and 14b that generate internal power supply voltages VL, respectively; 14c and 14d are pulses φpit φpit φP3゜φ with voltage amplitude Vt using the output of the drive circuit as a power source.
Pulse generating circuits 2a and 2b that generate P. 2c and 2d are respectively φPLe φP2e φpss
This is a memory array using fine MOS transistors operated by φP4. Note that the description of the reference voltage generation circuit is omitted here. FIG. 21 shows the operation timing of these circuits. A single external power supply voltage VCC (for example, 5V) is applied to the semiconductor memory chip 1 of this embodiment. Internal power supply voltage VL (for example, 3V) lowered from Vcc is output from drive circuits 7a, 7b, and 7c, and pulse generation circuits 14a, 14b, and 14c. 14d, respectively. Further, the timing pulse φd shown in FIG. 21 and an address signal a having a phase opposite to that of the address signal a1 are inputted to the pulse generating circuit. Peripheral circuit 3 receives external address signal A+ to generate internal address signals al and a, and receives external control signals (here, row address strobe signal RAS, column address strobe CAS, and write enable signal WE) to generate internal timing pulses. The 0 peripheral circuit that generates φT does not have much effect on the degree of integration of the chip, so there is no need to use minute elements, and due to the convenience of the external interface, the external power supply voltage Vc
Although the circuit is operated directly with c, it is of course possible to operate with the internal power supply voltage. Only the memory array selected by the address operates. In this example, B, = “Q” (a, = (111#
), arrays 28 and 20 are selected (2b and 2d are not selected), and when Q, = “1” (a, = “0”), array 2
b and 2d are selected (2a and 20 are not selected). Therefore, only pulses for the selected array are output. That is, as shown in FIG. 21, a,=゛'0
”, the pulse generating circuits 14a and 14c output φpit φP by the timing pulse φT to drive the arrays 2a and 20, and conversely, when aL="1", the pulse generating circuits 14b and 14d output the timing pulse φT Therefore, φp
2t φP, to operate arrays 2b and 2d. The feature of this embodiment is that each drive circuit is arranged close to each pulse generation circuit, and moreover, the drive circuit 7b is shared between pulse generation circuits 14b and 14c. Therefore,
Compared to the conventional example shown in FIG. 36, the wiring is shorter and the impedance of the wiring is smaller, thereby making it possible to suppress the level of noise generated. Furthermore, compared to FIG. 37, the number of drive circuits is reduced by one, thereby reducing the chip occupation area and power consumption. Moreover, since the pulse generation circuits 14b and 14c do not operate simultaneously, the drive circuit 7b only needs to drive one pulse generation circuit, and there is no need to double the current drive capability. The pulse generating circuits 14a to 14d can be realized by the circuit shown in FIG. 22, for example. In FIG. 22, 51 is
P-channel MOS transistor Q6, TQGz and N-channel MOS transistor Q6. . This is a two-person NAND circuit consisting of Q54. The power supply of this circuit is Vcc, and the inputs are a timing pulse and an address signal at (or ai). 52 is. P-channel MOS transistor Qss and N-channel MO
This is an inverter consisting of an S transistor Q□, and its power supply is VL.When φT is input when eat is at the rtVpC potential (Vcc), a pulse φ with an amplitude of the internal power supply V is generated.
P is output. Note that although the NAND circuit is operated with the external power supply voltage Vcc here, it may be operated with the internal power supply voltage V. FIG. 23 shows an example in which the number of drive circuits is further reduced by one compared to the embodiment shown in FIG. 20. address signal at,
at, timing pulse φd, and pulse φP, ~φ
P4 is the same as that explained in FIG. In this embodiment, the pulse generation circuits 14a and 14b share the drive circuit 7a, and the pulse generation circuits 14c and 14d share the drive circuit 7b. Therefore, compared to the embodiment shown in FIG. 20, the number of drive circuits is reduced by one, thereby reducing the chip area and power consumption. Here, as shown in FIG. 21, 14a and 14
b, 14c and 14d do not operate simultaneously. Therefore, each of the drive circuits 7a and 7b only needs to be able to drive one pulse generation circuit, and there is no need to double the drive capacity. FIG. 24 shows an embodiment in which the present invention is applied when the memory array is divided into eight parts. In the figure, 1 is a semiconductor chip, 3 is a peripheral circuit, 2a to 2h are memory arrays, and 7a
, 7b are drive circuits, and 14a to 14h are pulse generation circuits. In this embodiment, two of the eight arrays are selected by the address signal ass aJ, and only the selected array operates. In other words, when a+aJ="oO", 2a and 2e, and when alaJ: "01", 2b
and 2f, when a t a J = "10", 2C and 2
g, 31i1j::"11"', 2d and 2h are selected, respectively. Therefore, only the pulse φPk (k=1 to 8) for the selected array is output. That is, as shown in FIG. 25, address signal aiaJ="
00'', pulse φP1 and φF @ & 81 a
When J ””“01′”, pulse φP2 and φP@+
When aiaJ="10", pulses φP, φP, ,
When ataa="11", pulses φP4 and φP are output, respectively.These pulses φph (k=1~
8) Ha. This is a pulse output at the timing φT, and its amplitude is the internal power supply voltage VL. In this embodiment, two opening circuits are shared by eight pulse generation circuits for operating the memory array. By doing this, l! The number of dynamic circuits can be significantly reduced, resulting in reductions in occupied area and power consumption. (Example of application to DRAM) Finally, an example in which the present invention is applied to a DRAM will be described. Fig. 26 is a block diagram of a DRAM to which the present invention is applied. In Fig. 0, 201 is a pump for supplying power supply voltage (Vcc). 202 is a differential amplifier, 203 is a supply line for the internally stepped down power supply voltage (VL), and 204 is a starting M for the P-channel MOS sense amplifier.
OS transistor, 205 is a startup MOS transistor of the N-channel MOS sense amplifier, 206 is a P-channel M
OS sense amplifier, 207 is an N-channel MOS sense amplifier, 208 is a memory cell, 209 is a P-channel MOS
210 is a memory block including a cell array part and a sense amplifier part; 211 is an X decoder; 212 is a Y decoder; 213 is a short precharge signal line; and 214 is a power supply 11Vb/2. The power supply voltage Vcc is used in peripheral circuits such as an X decoder, a Y decoder, a gate protection circuit, and a signal generation circuit. In this embodiment, the internally stepped down power supply voltage v is connected to a P-channel MO connected to the sense amplifier activation MOS transistor 204.
It is used for the source power supply of the S sense amplifier, the back gate (well) of the P channel MOS transistor, and a part of the Y decoder. In the case of a so-called CMO8 circuit such as a sense amplifier, P
When using a shaped substrate, a P-channel MOS transistor is typically formed in an N-type well. In this case, as shown in the cross-sectional view of FIG. 27, the potential of the N-well (back gate of the P-channel MOS transistor) is not the external power supply voltage Vcc, but the operating voltage supplied to its source (V L in this case). It is desirable to do so. The reason for this will be explained next. For example, if Vcc = 5V, VL = 3V, the data line precharge level is 1.5V, so before starting the sense amplifier, the P channel MOS transistor has a voltage of 1.5V.
A back gate bias of v is applied and becomes Ov after startup. Taking Figure 34 as an example, the threshold voltage (absolute value) before starting the sense amplifier is about Q, 86V, and after starting it is about 0.5
7V-? 'be. If the N well voltage is Vcc (=5V)
1. IV, 0.92V and iJ, V
It is too large compared to t. Figure 28 shows the above DRA
This is a diagram in which the operating speed of the M sense system is plotted against the threshold voltage of a P-channel MOS transistor. Since the increase in the threshold voltage of IV corresponds to a delay of about 2 ns, it can be seen that in this case, by setting the N-well voltage to VL (=3 V), a speed increase of about 5 ns or more can be realized. CMO8L in the era of ultra-high integration
Since SI tends to further lower the operating voltage and increase the substrate (well) concentration (increasing the bank gate bias effect), the above effects of the present invention become even more important. Here, the N well voltage is supplied to the P channel MOS transistor. 1! In making the gs voltage equal to v, there is a concern about fluctuations in the N-well voltage due to capacitive coupling and the like. The embodiment shown in FIG. Since the data line is precharged to VL/2, when the P-channel MOS transistor operates, one whose drain voltage rises and one whose drain voltage falls form a pair, and the noise is extremely small. therefore. Problems such as latch-up due to fluctuations in the N-well voltage do not occur. Although the sense amplifier has been described above as an example, similar techniques can be applied to other CMO8 circuits as well. Also,
The present invention is applicable not only to DRAM but also to CMO8-LSI having two or more different operating voltages. Furthermore, in the embodiments of the present invention, it is clear that the present invention will work even if the conductivity types and potential relationships of the semiconductors are all reversed. (Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention, the voltage limiter circuit needs to drive many types of loads, and even when the type and size of the load varies depending on the operation mode, the load This enables optimal phase compensation depending on the type and operation mode of the voltage limiter, and stabilizes the operation of the voltage limiter.In addition, if there are multiple load circuits in a semiconductor chip that use internal voltage as a power source, Since the wiring to each load circuit can be shortened, the noise level can be kept low. Also, the number of circuits can be reduced without increasing the drive capacity of the drive circuit.
The occupied area and power consumption can be reduced. In addition, in a CMO8 circuit that uses an internally stepped down operating voltage, by making the back gate (well) voltage of the transistor formed in the well equal to the stepped down voltage, the circuit can be made faster. It is possible to achieve both the high reliability and high speed of an ultra-highly integrated LSI. In addition, in a CMO8 circuit that uses an internally stepped down operating voltage, by making the back gate (well) voltage of the transistor formed in the well equal to the stepped down voltage, the circuit can be made faster. It is possible to achieve both the high reliability and high speed of an ultra-highly integrated LSI.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図乃至第28図は本発明の詳細な説明する為の図、
第29乃至第34図は、従来技術の問題点を説明する為
の図である。 ] 第 1 図 −6: 図 V己 次 図 第 3″ 凹 拓 図 (Q) (唇) (C) (d) (−e) L2 vL2゜ 第 621 vL 第 g 図 名 図 つ 図 第 図 第 図 CC) テ 図 (幻 第 1ダ 図 +01 (杓 第 図 (−e) CC) エフ′7@丸IL 図面の浄書(内容に変更なし) 寥ノア 圓 篤 1と 吋二!ニ ¥22 図 (α) +b) 羊−24図 芽 図 ち 2g Iし赤い室落1 〔V〕 第 =0 (27 ¥32 図 華31 ■ 手 続 補 正 書(方式) %式% 事件の表示 平成  1、 発明の名称 補正をする者 事件との関係 名称 (510) 名称 特許願 第  16148  号 半導体装置
1 to 28 are diagrams for explaining the present invention in detail,
29 to 34 are diagrams for explaining the problems of the prior art. ] Fig. 1-6: Fig. Figure CC) Te map (phantom 1st diagram + 01 (Dip diagram (-e) CC) F'7 @ Maru IL Engraving of the drawing (no changes to the content) Noa En Atsushi 1 and 2! Ni ¥22 Figure (α) +b) Hitsuji-24 Zumezuchi 2g Ishi Red Murochi 1 [V] No. =0 (27 ¥32 Zuka 31 ■ Procedural amendment (method) % formula % Indication of the case Heisei 1, Invention Name related to the name amendment case (510) Name Patent Application No. 16148 Semiconductor device

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、複数の内部電圧発生回路と、該内部電圧発生回路の
出力を電源として使用する複数の内部回路とを有する半
導体装置において、上記複数の内部回路は制御信号によ
って選択的に動作し、同時に動作することのない少なく
とも2個の上記内部回路が1個の上記内部電圧発生回路
を共有していることを特徴とする半導体装置。 2、上記複数の内部回路は半導体メモリであり、上記制
御信号は該半導体メモリのアドレス信号であることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。 3、外部供給電源のうち、絶対値で最も高い電源電圧を
Vccとするとき、Vccよりも絶対値で小さい電圧を
少なくとも一部において電源電圧(VL)として使用す
る相補形金属絶縁膜半導体集積回路(CMOS・LSI
)において、ソース端子が上記V_Lに接続されたMO
Sトランジスタを有し、少なくともその一部のMOSト
ランジスタのバックゲートの電圧を上記V_Lとしたこ
とを特徴とする半導体装置。 4、P形基板上に形成されたNウェル上に、Pチャネル
MOSトランジスタを、また前記P形基板上にNチャネ
ルMOSトランジスタをそれぞれ集積化したMOSダイ
ナミックメモリ (DRAM)において、センスアンプを含むセンス系の
少なくとも一部において、動作電圧(V_L)が外部供
給電圧(Vcc)より低く、V_Lを動作電圧とするP
チャネルMOSトランジスタが集積化されているN形ウ
ェルの電圧をV_Lとしたことを特徴とする特許請求の
範囲第3項記載の半導体装置。
[Claims] 1. In a semiconductor device having a plurality of internal voltage generation circuits and a plurality of internal circuits that use the output of the internal voltage generation circuit as a power supply, the plurality of internal circuits can be selectively controlled by a control signal. A semiconductor device characterized in that at least two of the internal circuits that operate simultaneously and that do not operate simultaneously share one internal voltage generating circuit. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of internal circuits are semiconductor memories, and the control signal is an address signal of the semiconductor memory. 3. A complementary metal insulating film semiconductor integrated circuit that uses a voltage smaller in absolute value than Vcc as the power supply voltage (VL) at least in part, where Vcc is the highest power supply voltage in absolute value among the externally supplied power supplies. (CMOS/LSI
), the MO whose source terminal is connected to the above V_L
1. A semiconductor device comprising an S transistor, and a back gate voltage of at least a part of the MOS transistors is set to the above-mentioned V_L. 4. In a MOS dynamic memory (DRAM) in which a P-channel MOS transistor is integrated on an N-well formed on a P-type substrate, and an N-channel MOS transistor is integrated on the P-type substrate, a sense amplifier including a sense amplifier is integrated. At least in part of the system, the operating voltage (V_L) is lower than the externally supplied voltage (Vcc), and P with V_L as the operating voltage
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the voltage of the N-type well in which the channel MOS transistor is integrated is V_L.
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