JPH11511904A - 蓄積キャパシタを用いる改良されたチャージポンプ - Google Patents

蓄積キャパシタを用いる改良されたチャージポンプ

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JPH11511904A JP8536018A JP53601896A JPH11511904A JP H11511904 A JPH11511904 A JP H11511904A JP 8536018 A JP8536018 A JP 8536018A JP 53601896 A JP53601896 A JP 53601896A JP H11511904 A JPH11511904 A JP H11511904A
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Abstract

(57)【要約】 外部電源電圧を内部的に昇圧するよう、EEPROM装置で使用するために蓄積キャパシタを用いるチャージポンプ回路は、複数個のMOSトランジスタ(T101、T102;T201、T202)と蓄積キャパシタ(N2、P2)とを含む。複数個のMOSトランジスタは第1の入力電圧端子およびより高い電圧出力端子の間で直列に接続される。第1の入力電圧端子は外部電源電圧を受取る。蓄積キャパシタは第1のプレートおよび第2のプレートを有する。蓄積キャパシタの第1のプレートの各々は隣接する複数個のMOSトランジスタのそれぞれの間に接続される。蓄積キャパシタの第2のプレートの各々はクロック信号を受取るために第2の入力端子に接続される。その結果、ポンプ回路は効果的に動作されて消費電力を著しく下げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 蓄積キャパシタを用いる改良されたチャージポンプ 発明の背景 1.発明の分野 本発明は、一括電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ(E EPROM)装置のような半導体集積回路記憶装置に関し、特に、外部またはオ フチップ電源から供給される電源電圧をより効果的にかつ効率的に内部で昇圧す るよう、EPPROM装置で使用するために蓄積キャパシタを用いる改良された チャージポンプに関する。 2.先行技術の説明 一般に知られているように、記憶装置や他の半導体集積回路の分野において、 供給される外部またはオフチップ電源電位より大きい電圧が内部的に生成される 必要がある。たとえば、一括電気的に消去可能なプログラマブルリードオンリー メモリ(EEPROM)では、メモリセルの書込および消去動作モードのために は±12Vのような高電圧を生成する必要がある。したがって、半導体記憶装置 は一般に外部電源電圧を内部的に昇圧するために、ある種の内部ブースタ回路を 含む。フラッシュEEPROMで一般に用いられる内部ブースタ回路の1つのタ イプは「チャージポンプ」と呼ばれる。 このような記憶装置のユーザは動作のために高い電圧源を設けることは必要で はないが、これらの記憶装置はチャージポンプが記憶装置の総電力損の著しい割 合をなすという不利益を被る。さらに、半導体記憶装置の集積化の要求がさらに 高まるにつれ、記憶装置を形成する回路素子すべてを微細化する方向にある。こ うして、電力損を下げるためだけではなく、微細化された回路素子を守るために 、より低い電源電圧を使用することが必要となった。さらに、ポータブルな電子 用途のための電池電源に対する電圧を約3V以下に下げる傾向にある。しかし、 電池電源が下がるにつれ、反転キャパシタを用いる従来のチャージポンプは適切 な動作を行なえないようになってきた。 図1aには、キャパシタに接続されるNチャネルMOSトランジスタN1の電 気記号が示される。NチャネルMOSトランジスタN1の断面図は図1bに、お よび上面図が図1cに示される。図からわかるように、参照番号10はp型基板 を示す。n型ドレイン領域12およびn型ソース領域14は基板10の表面で拡 散されている。基板の上面と導電性ポリシリコンゲート18との間に薄いゲート 酸化物層16がある。ドレイン領域12およびソース領域14は互いに接続され 、さらにキャパシタN1の一方のプレートを規定する金属コンタクト接続20に 接続される。ゲート18はさらにキャパシタN1の他方のプレートを規定する金 属コンタクト接続22に接続される。 図2はポリシリコンゲートに与えられる電圧Vgに比例する、図1bのキャパ シタ接続MOSトランジスタN1の3つの動作領域(蓄積、空乏、および反転) の容量値を示す。キャパシタが反転領域で動作される場合、高い周波数で容量値 が低下するという欠点がある。電源電圧が小さい場合、チャージポンプから供給 される電流出力は非常に小さくなる。チャージポンプの出力電流は以下の式で表 わされる。 I∝C×V×S ここで、 C=ポンプ容量の値 V=切換電源の大きさ F=電圧Vが切換えられる周波数 したがって、チャージポンプの出力電流は高い周波数で動作することにより高 くすることができる。図1dに示されるように、キャパシタ構造の中央に拡散コ ンタクト24を加えることにより、反転領域で動作するキャパシタの動作周波数 を増やすことができる。拡散コンタクトは少数キャリアに近い供給を生成するよ う働き、それによりキャパシタの周波数応答を向上させる。したがって、より多 くの拡散コンタクト24を加えて周波数応答をさらに向上させるために、キャパ シタ構造をさらに分けることができる。しかし、このアプローチの欠点は、寄生 容量が増加してチャージポンプの効率を下げることである。さらに、半導体チッ プ上でキャパシタが占める面積が著しく増大するという欠点もある。 図3aにはキャパシタに接続されるPチャネルMOSトランジスタP1の電気 記号が示される。図3bはPチャネルMOSトランジスタP1の断面図である。 キャパシタはp型基板26で形成される。nウェル領域28が基板26に形成さ れる。p型ソース領域30およびp型ドレイン領域32はnウェル領域28の表 面で拡散される。nウェル領域28の上面と導電性ポリシリコンゲート36との 間に薄いゲート酸化物層34がある。さらに、nウェルコンタクト領域38がn ウェル領域28に形成される。コンタクト領域38、ソース領域30、およびド レイン領域32は互いに接続され、さらにキャパシタP1の一方プレートを規定 する金属コンタクト接続40に接続される。ゲート36はキャパシタP1の他方 プレートを規定する金属コンタクト接続42にも接続される。 図4では、ポリシリコンゲートに与えられる電圧Vgに比例して、図3bのキ ャパシタ接続MOSトランジスタP1の3つの動作領域(蓄積、空乏、および反 転)における容量値が示される。キャパシタP1が反転領域で動作される場合、 容量値は高い周波数で低下するという不都合がある。 図7は先行技術の単一段正電圧チャージポンプ44の概略回路図である。チャ ージポンプ44は1対のNチャネルMOSトランジスタT1およびT2と反転キ ャパシタN1(図1bに類似)とを含む。トランジスタT1のドレインおよびゲ ートは互いに接続され、電源電圧VCCを受取る入力電圧端子46に接続される 。トランジスタT2のゲートおよびドレインは互いに接続され、ノードAにおい てトランジスタT1のソースおよびキャパシタN1の一方プレートに接続される 。キャパシタN1の他方プレートはクロック信号φを受取るため入力ノード48 に接続される。トランジスタT2のソースはチャージポンプ44の出力端子OU Tに接続される。 図2のグラフを再度参照すると、反転領域において十分な容量値を得るために は、ノードAの最初の状態としては約1ボルトである、キャパシタ接続MOSト ランジスタN1のしきい値電圧より大きくなければならない。したがって、反転 キャパシタの動作電圧は1ボルト以下には下げられない。他方で、蓄積キャパシ タは図2に示されるように、0ボルトで初期化され得る。反転キャパシタのさら なる不都合は、実効しきい値が「ボディ効果」によって増加することであり、こ のボディ効果はトランジスタN1のソースと基板との間の差動電位によって引き 起こされる。 したがって、より低い電源電圧(すなわち3V以下)で確実にかつ有効に動作 することができるよう、先行技術の欠点を克服する改良されたチャージポンプを 提供することが望ましい。チャージポンプは、消費電力を著しく下げることがで きるよう有効に動作するのが得策である。本発明はより低い電圧でかつより効率 的に動作することができる蓄積キャパシタを用いることにより改良されたチャー ジポンプを提供する。 発明の概要 本発明の目的は、先行技術のチャージポンプのすべての欠点を克服する改良さ れたチャージポンプを提供することである。 本発明の1つの目的は、より効率的にかつ効果的に電源電圧を内部的に昇圧す ることができるよう、EEPROM装置で使用するために蓄積キャパシタを用い る改良されたチャージポンプを提供することである。 本発明の別の目的は、より低い電源電圧で確実にかつ効果的に動作することが できる改良されたチャージポンプを提供することである。 本発明のさらに別の目的は、消費電力を著しく下げることができるよう、効率 的に動作することができる改良されたチャージポンプを提供することである。 上記の目的に従って、本発明は外部電源電圧を内部的に昇圧することができる よう、EEPROM装置で使用するために蓄積キャパシタを用いるチャージポン プ回路を設けることに関する。チャージポンプ回路は第1の入力電圧端子および より高い電圧の出力端子の間で直列に接続される複数個のMOSトランジスタを 含む。第1の入力電圧端子は外部電源電圧を受取る。 蓄積キャパシタは第1のプレートおよび第2のプレートを有する。蓄積キャパ シタの第1のプレートは、隣接するそれぞれの複数個のMOSトランジスタ間に 接続される。蓄積キャパシタの第2のプレートは、第2の入力端子に接続されて クロック信号を受取る。 図面の簡単な説明 本発明の上記の目的および他の利点は添付の図面と関連して以下の詳細な説明 からより明らかとなり、図面においては同様の参照番号は対応する部分を示す。 図1aは正チャージポンプで用いるための反転キャパシタを形成するよう接続 されるNチャネルMOSトランジスタN1の電気記号図を示す。 図1bは図1aのキャパシタ接続NチャネルMOSトランジスタN1の断面図 である。 図1cは図1bのキャパシタ接続NチャネルMOSトランジスタN1の上面図 である。 図1dは図1cと類似して、向上した周波数応答を有する、キャパシタ接続N チャネルMOSトランジスタN1の上面図である。 図2は、ゲート電圧Vgに比例して、図1bのキャパシタ接続NチャネルMO SトランジスタN1の3つの動作領域の容量値を示すグラフである。 図3aは負チャージポンプで用いるための反転キャパシタを形成するよう接続 されるPチャネルMOSトランジスタP1の電気記号図を示す。 図3bは図3aのキャパシタ接続PチャネルMOSトランジスタP1の断面図 である。 図4は、ゲート電圧Vgに比例して、図3bのキャパシタ接続PチャネルMO SトランジスタP1の3つの動作領域の容量値を示すグラフである。 図5aは正チャージポンプで蓄積キャパシタとして用いられるnウェルキャパ シタの電気記号図である。 図5bは本発明の原理に従って構成される、図5aのnウェルキャパシタの断 面図である。 図6aは負チャージポンプの蓄積キャパシタとして使用されるpウェルキャパ シタの電気記号図である。 図6bは本発明の原理に従って構成される図6aのpウェルキャパシタの断面 図である。 図7は図1bに類似した反転キャパシタを用いて、先行技術の単一段正電圧チ ャージポンプの概略回路図である。 図8は図5bに類似した蓄積キャパシタを用いて、本発明の単一段正電圧チャ ージポンプの概略回路図である。 図9は図6bに類似した蓄積キャパシタを用いる、本発明の単一段負電圧チャ ージポンプの概略回路図である。 好ましい実施例の説明 図面を参照して、本発明の好ましい実施例を以下に記載する。図5aでは、正 電圧チャージポンプにおいて蓄積キャパシタとして使用されるnウェルキャパシ タN2の電気記号図が示される。図5bは、本発明の原理に従って構成される、 図5aのnウェルキャパシタの断面図である。参照番号110はnウェル領域を 示す。nウェル領域110にはn型ウェル電極領域112および114が形成さ れる。nウェル領域の上面と導電性ポリシリコンゲート118との間に薄いゲー ト酸化物層116がある。n型ウェル電極領域112および114は互いに接続 され、nウェルキャパシタN2の一方プレートを規定する金属コンタクト接続1 20に接続される。ゲート118はnウェルキャパシタN2の他方プレートを規 定する金属コンタクト接続122に接続される。 図8では、本発明の原理に従って構成される、蓄積キャパシタを用いる、単一 段正電圧チャージポンプ144の概略回路図が示される。チャージポンプ144 は1対のNチャネルMOSトランジスタT101およびT102と蓄積キャパシ タN2(図5bと類似)とを含む。トランジスタT101のゲートおよびドレイ ンは互いに接続され、入力電圧端子146に接続されて電源電圧VCCを受取る 。トランジスタT102のゲートおよびドレインは互いに接続され、内部ノード BにおいてトランジスタT101のソースおよびnウェルキャパシタN2の一方 プレート122に接続される。キャパシタN2の他方プレート120は入力端子 148に接続されてクロック信号φを受取る。トランジスタT102のソースは チャージポンプ144の出力ノードOUTに接続される。図2のグラフを参照し て、前にも述べたように、nウェルキャパシタN2は蓄積領域で動作するので、 ゼロボルトで初期化できる。 さらに、典型的には+3.0ボルトである電源電圧VCCは約2ボルトに減じ られて電池によって電力が供給される用途において適切動作することができ、そ れにより電力損を著しく減らす。その結果、チャージポンプ144の効率は、反 転キャパシタを用いる従来のチャージポンプ144に対して約20%増加させる ことができる。さらに、このチャージポンプ144は切換電源電圧のより高い周 波数で動作することができる。なぜなら蓄積領域の容量値は反転領域と違って、 より高い周波数で低下しないからである。さらに、蓄積キャパシタは「ボディ効 果」を受けない。なぜなら、ソース−基板電圧差がないからである。 図6aを参照して、負電圧チャージポンプにおける蓄積キャパシタとして用い られるpウェルキャパシタP2の電気記号が示される。図6bには図6aのpウ ェルキャパシタの断面構造図が示され、これは本発明の原理に従って構成される 。参照番号210は中にnウェル領域212が形成されるp型基板を示す。pウ ェル領域214がnウェル領域212に形成される。pウェル領域214には1 対のpウェル電極領域216および218が形成される。薄いゲート酸化物領域 220がpウェル領域の上面と導電性ポリシリコンゲート222との間にある。 したがって、pウェル領域214はp型基板210と電気的に絶縁される。p型 ウェル電極領域216および218は互いに接続され、pウェルキャパシタP2 の一方プレートを規定する金属コンタクト接続224に接続される。ゲート22 2はキャパシタP2の他方プレートを規定する金属コンタクト接続226にも接 続される。 図9では、本発明の原理に従って構成される、蓄積キャパシタを用いる単一段 負電圧チャージポンプ244の概略回路図が示される。チャージポンプ244は 1対のPチャネルMOSトランジスタT201およびT202と蓄積キャパシタ P2(図6bと類似)とを含む。トランジスタT201のゲートおよびソースは 互いに接続され、入力電圧端子246に接続されて電源電圧VSSを受取る。電 源電圧VSSは典型的には接地電位である。トランジスタT202のゲートおよ びソースは互いに接続され、内部ノードCにおいて、トランジスタT201のド レインおよびpウェルキャパシタP2の一方プレート226に接続される。キャ パシタP2の他方プレート224は入力ノード248に接続されてクロック信号 φを受取る。トランジスタT202のドレインはチャージポンプの出力端子OU Tにも接続される。図4のグラフを参照して、pウェルキャパシタP2は蓄積領 域で動作されるので、同様にゼロボルトで初期化されることができ、nウェルキ ャパシタN2について記載した利点と同様の利点をすべて有する。 図8および図9は単一段チャージポンプを示すが、当業者にとって多段チャー ジポンプとして形成できることは明らかである。この場合、入力電圧端子および 出力電圧端子の間に複数個のMOSトランジスタが縦続接続される。対応する複 数個のキャパシタの一方端は隣接するトランジスタの間のそれぞれの内部ノード に接続される。さらに、隣接キャパシタの他方端はオーバーラップしない二相ク ロック信号φ1およびφ2によって駆動される。 以上の詳細な説明により、本発明は電源電圧を内部的に昇圧するよう、EEP ROM装置で使用するために蓄積キャパシタを用いる改良されたチャージポンプ を提供する。本チャージポンプは先行技術の欠点を克服してより低い電源電圧で 確実におよび効果的に動作することができる。その結果、本発明のチャージポン プの効率は向上している。なぜなら消費電力が著しく減じられるからである。 本発明の好ましい実施例と現在考えられるものが図示および記載されているが 、当業者にとって種々の変更および変形がなされることは理解でき、本発明の真 の範囲から逸脱することなく均等物に置換えられることは理解できるであろう。 さらに、その範囲を逸脱することなく本発明の教示に対して特定の状態またはも のを適用するよう多くの変形を行なうことができる。したがって、本発明は実施 するのに最良のモードと考えられて開示される特定の実施例に限定されるのでは なく、本発明は添付の請求の範囲に入るすべての実施例を含むことが意図される 。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1997年10月13日 【補正内容】請求の範囲 1.外部電源電圧を内部的に昇圧するのに、EEPROM装置で使用するための チャージポンプ回路であって、前記回路は 第1の入力電圧端子およびより高い電圧出力端子の間で直列に接続される複数 個のMOSトランジスタ(T101、T102)を含み、第1の入力電圧端子は 外部電源電圧を受取り、さらに 各々が第1のプレートおよび第2のプレートを有するキャパシタ(N2)を含 み、 前記第1のプレートの各々は隣接するそれぞれの複数個のMOSトランジスタ の間に接続され、 前記第2のプレートの各々はクロック信号を受取るために第2の入力端子に接 続され、 前記外部電源電圧は+3.0ボルト以下において、正電位(VCC)であり、 前記キャパシタは、nウェル領域(110)に形成される1対のn+電極領域 (112、114)と、前記nウェル領域の上面およびポリシリコンゲート(1 18)の間に配置されるゲート酸化物層(116)とを含むnウェル蓄積キャパ シタであることを特徴とする、チャージポンプ回路。 2.前記MOSトランジスタはNチャネルトランジスタ(T101、T102) である、請求項1に記載のチャージポンプ回路。 3.外部電源電圧を内部的に昇圧するのにEEPROM装置で用いるためのチャ ージポンプ回路であって、前記回路は 第1の入力電圧端子およびより高い電圧出力端子間で直列に接続される複数個 のMOSトランジスタ(T201、T202)を含み、第1の入力電圧端子は外 部電源電圧を受取り、さらに 各々が第1のプレートおよび第2のプレートを有するキャパシタ(P2)を含 み、 前記第1のプレートの各々は隣接するそれぞれの前記複数個のMOSトランジ スタの間に接続され、 前記第2のプレートの各々はクロック信号を受取るために第2の入力端子に接 続され、 前記外部電源電圧は実質的にゼロボルトである接地電位(VSS)であり、 前記キャパシタは、nウェル領域(212)内のpウェル領域(214)に形 成される1対のp+電極領域(216、218)と、pウェル領域の上面および ポリシリコンゲート(222)の間に配置されるゲート酸化物層(220)とを 含むpウェル蓄積キャパシタであり、nウェル領域はp型基板(210)に配置 されることを特徴とする、チャージポンプ回路。 4.前記MOSトランジスタはPチャネルトランジスタ(T201、T202) である、請求項3に記載のチャージポンプ回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キム,ヨン・ケイ アメリカ合衆国、95051 カリフォルニア 州、サンタ・クララ、フローラ・ビスタ・ アベニュ、3560、ナンバー・215 (72)発明者 チャン,チュン・ケイ アメリカ合衆国、94086 カリフォルニア 州、サニィベイル、サン・ジュアン・ドラ イブ、627、ナンバー・4 【要約の続き】

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.外部電源電圧を内部的に昇圧するようEEPROM装置で使用するために蓄 積キャパシタを用いるチャージポンプ回路であって、 第1の入力電圧端子とより高い電圧出力端子との間で直列に接続される複数個 のMOSトランジスタ(T101、T102;T201、T202)を含み、前 記第1の入力電圧端子は外部電源電圧を受取り、さらに 各々が第1のプレートおよび第2のプレートを含む蓄積キャパシタ(N2、P 2)を含み、 前記蓄積キャパシタの前記第1のプレートの各々は隣接するそれぞれの前記複 数個のMOSトランジスタの間に接続され、 前記蓄積キャパシタの前記第2のプレートの各々はクロック信号を受取るため に第2の入力端子に接続される、チャージポンプ回路。 2.前記複数個のMOSトランジスタはNチャネルトランジスタ(T101、T 102)を含む、請求項1に記載のチャージポンプ回路。 3.前記複数個のMOSトランジスタはPチャネルトランジスタ(T201、T 202)を含む、請求項1に記載のチャージポンプ回路。 4.前記外部電源電圧は典型的に+3.0V以下である、正電位(VCC)を含 む、請求項2に記載のチャージポンプ回路。 5.前記外部電源電圧は典型的にゼロボルトである、接地電位(VSS)を含む 、請求項3に記載のチャージポンプ回路。 6.前記蓄積キャパシタの各々はnウェルキャパシタ(N2)を含む、請求項4 に記載のチャージポンプ回路。 7.前記蓄積キャパシタの各々はpウェルキャパシタ(P2)を含む、請求項5 に記載のチャージポンプ回路。 8.前記nウェルキャパシタはnウェル領域(110)に形成される1対のn+ 電極領域(112、114)と、前記nウェル領域の上面およびポリシリコンゲ ート(118)の間に配置されるゲート酸化物層(116)とを含む、請求項6 に記載のチャージポンプ回路。 9.前記pウェルキャパシタはnウェル領域(212)の中のpウェル領域(2 14)に形成される1対のp+電極領域(216、218)と、前記pウェル領 域の上面およびポリシリコンゲート(222)の間に配置されるゲート酸化物層 (220)とを含み、前記nウェル領域はp型基板(210)に配置される、請 求項7に記載のチャージポンプ回路。 10.半導体記憶装置で使用するための正電圧チャージポンプ回路であって、 第1入力電圧端子およびより高い電圧出力端子の間で直列に接続される1対の NチャネルMOSトランジスタ(T101、T102)を含み、前記Nチャネル MOSトランジスタ対の各々のゲートおよびドレインは互いに接続され、前記第 1入力電圧端子は外部電源電圧を受取り、さらに 第1のプレートおよび第2のプレートを有する、蓄積キャパシタとして機能す るnウェルキャパシタ(N2)を含み、 前記nウェルキャパシタの前記第1のプレートは前記MOSトランジスタ対の 接合間に接続され、 前記nウェルキャパシタの前記第2のプレートは第2の入力端子に接続されて クロック信号を受取る、チャージポンプ回路。 11.前記外部電源電圧は典型的に+3.0ボルト以下である正電位(VCC) を含む、請求項10に記載のチャージポンプ回路。 12.前記nウェルキャパシタはnウェル領域(110)に形成される1対のn +電極領域(112、114)と、前記nウェル領域の上面およびポリシリコン ゲート(118)の間に配置されるゲート酸化物層(116)とを含む、請求項 11に記載のチャージポンプ回路。 13.外部電源電圧より高く昇圧される電圧を出力端子で生成するために、半導 体集積回路で使用するためのチャージポンプ回路であって、 外部電源電圧および前記出力端子の間に接続されて前記出力端子により高い電 圧を生成するためのトランジスタチャージ手段と、 前記トランジスタチャージ手段に接続され、クロック信号に応答して前記出力 端子でより高い電圧を生成するための蓄積キャパシタ手段とを含む、チャージポ ンプ回路。 14.前記トランジスタチャージ手段は複数個のNチャネルトランジスタ(T1 01、T102)を含む、請求項13に記載のチャージポンプ回路。 15.前記トランジスタチャージ手段は複数個のPチャネルMOSトランジスタ (T201、T202)を含む、請求項13に記載のチャージポンプ回路。 16.前記蓄積キャパシタ手段はnウェルキャパシタ(N2)を含む、請求項1 4に記載のチャージポンプ回路。 17.前記蓄積キャパシタ手段はpウェルキャパシタ(P2)を含む、請求項1 5に記載のチャージポンプ回路。 18.前記nウェルキャパシタはnウェル領域(110)に形成される1対のn +電極領域(112、114)と、前記nウェル領域の上面およびポリシリコン ゲート(118)の間に配置されるゲート酸化物層(116)とを含む、請求項 16に記載のチャージポンプ回路。 19.前記pウェルキャパシタはnウェル領域(212)の中のpウェル領域( 214)に形成される1対のp+電極領域(216、218)と、前記pウェル 領域の上面およびポリシリコンゲート(222)の間に配置されるゲート酸化物 層(220)とを含み、前記nウェル領域はp型基板(210)に配置される、 請求項17に記載のチャージポンプ回路。
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