KR100525099B1 - 반도체 장치용 고전압 발생기 - Google Patents

반도체 장치용 고전압 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고전압을 발생시키기 위하여 사용하는 펌프의 펌핑 주기를 조절할 수 있는 고전압 발생기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고전압을 출력하는 반도체 장치용 고전압 발생기는 고전압을 피드백 수신하여 제 1 기준전압과 비교하는 제 1 고전압 검출기와, 고전압을 피드백 수신하여 상기 제 1 기준전압보다 높은 제 2 기준전압과 비교하는 제 2 고전압 검출기와, 제 1 고전압 검출기 및 제 2 고전압 검출기를 수신하는 발진기와, 발진기로부터의 출력신호에 의하여 상기 고전압을 출력하는 고전압 펌프를 구비하며, 제 1 고전압 검출기의 출력신호에 의하여 상기 발진기가 인에이블되고, 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 발진기로부터 출력되는 신호의 주기가 변동된다.
본 발명의 경우, 고전압 레벨이 변동하는 경우, 이에 맞게 고전압 펌프의 펌핑 주기를 조절함으로써, 보다 안정된 고전압을 발생 및 유지할 수 있다.

Description

반도체 장치용 고전압 발생기{A high voltage generator for a semiconductor device}
본 발명은 고전압 발생기에 관한 것으로, 특히 고전압을 발생시키기 위하여 사용하는 펌프의 펌핑 주기를 조절할 수 있는 반도체 장치용 고전압 발생기에 관한 것이다.
최근들어, 반도체 장치, 예컨대 메모리 장치 등의 고집적화로 인하여 전류의 소모가 증가하게 되었고, 특히 한 번의 액티브 신호에 의해 동작하는 회로의 수가 증대된 까닭에 순간 소모 전류의 증가로 인하여 구동 전압 레벨의 불안정이 초래되고 있다.
본 발명은 반도체 장치의 구동 전압의 레벨의 변화를 감지하여 이러한 구동 전압 발생 장치에 사용되는 발진기(oscillator)의 주기를 변화시켜 줌으로서 내부 전압의 레벨을 다시 안정화 시켜주는 역할을 하는 내부 전압 발생 장치의 하나인 고전압 발생기를 제안하는 것이다.
일반적으로, 반도체 장치의 경우, 동작 특성에 맞는 전압 레벨은 반도체 장치 내부의 전원 발생장치를 이용해서 생성한다. 특히, 회로 동작시 트랜지스터의 임계전압(threshold voltage)의 영향으로 인한 전압 손실로 인한 신호 전달의 지연 현상을 극복하고자 외부에서 공급되는 전압 레벨보다 충분히 높은 레벨의 전압을 생성하여 사용할 필요가 있다(이후, 이 전압을 고전압(VPP)이라 칭한다).
이러한 고전압(VPP) 레벨은 제품의 동작 특성에 큰 영향을 미치게 된다. 예컨대, 메모리 장치의 경우, 고집적화로 인하여 한 번에 동작하는 메모리 셀의 동작이 많아지고 이 셀에 데이터를 저장하고 읽어낼 때 고전압(VPP)를 전압원으로 사용하는 회로 블록들내에서 고전압 소모량이 증가하게 되었다. 그 결과, 고전압(VPP) 레벨이 떨어지게 되고 이를 다시 원하는 레벨로 만들어 주는 회로가 동작을 하게 된다. 이하, 이러한 고전압 발생기에 대하여 보다 구체적으로 기술하기로 한다.
도 1 은 종래의 일반적인 고전압 발생기의 일예를 도시한다.
도시된 바와같이, 일반적인 고전압 발생기는 고전압 검출기(10)와, 발진기(12)와, 고전압 펌프(14)로 이루어진다. 여기서, 고전압 검출기(10)는 고전압(VPP)과 기준전압(VDD1)을 수신하여 고전압(VPP)이 기준전압보다 높은지 여부를 판단한다. 발진기(12)는 소정의 주기를 갖는 펄스 신호를 발생하여 고전압 펌프(14)의 출력전압을 상승시키는 기능을 한다. 그리고, 고전압 펌프(14)는 발진기(12)로부터 출력되는 펄스 신호에 의하여 고전압을 출력하게 된다.
도 2 는 도 1 에 도시된 고전압 펌프(14)의 일예를 도시한다.
도시된 바와같이, 고전압 펌프는 발진기(12)로부터 출력되는 펄스 신호(Osc)에 의하여 연동되는 부츠트랩 커패시터의 영향으로 인하여 고전압(VPP)을 출력함을 알 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2 를 참조하여 그 동작을 설명하기로 한다.
일반적으로 사용되는 고전압 발생기의 경우, 고전압(VPP) 레벨이 기준 전압(VDD1)보다 하강하게 되면 고전압 검출기(100)에서 이 것을 감지하고 발진기(12)를 구동시키게 된다. 이 주기 신호(즉, 펄스 신호)는 최종적으로 고전압 펌프(14)내의 펌프 회로를 동작시켜 고전압(VPP) 레벨을 높여준다. 이 때, 고전압 펌프 회로의 특성상 고전압(VPP) 레벨을 다시 원하는 레벨로 만들어 주는 시간을 결정하는 시간은 이 발진기(12)의 주기가 결정을 하게 된다. 즉, 부츠트랩 커패시턴스와 관련된 노드의 전압을 순간적으로 높여주는 동작의 횟수에 따라서 고전압(VPP) 레벨 상승의 시간은 결정되는 것이다.
한편, 주기 신호를 발생하는 발진기의 일반적인 특성상, 그 동작 전압이 낮아 지게 되면 그 출력 신호의 주기는 증가하게 된다. 그 결과 동작 전압이 낮아 진 상황에서 고전압(VPP) 레벨 또한 낮아지게 되면 고전압(VPP) 전압 레벨의 상승 시간은 그 만큼 손해를 보게 된다.
기존 회로의 경우, 반도체 장치가 주요 동작을 하게 되면 고전압(VPP)이 사용되면서 고전압(VPP) 레벨이 원상태를 유지 하지 못하고 레벨이 낮아지게 되는데, 기준전압(VDD1) 보다 낮아지게 되면 고전압 검출기(10)에서 이를 감지하게 되어 발진기(12)를 동작시키게 되어 고전압(VPP) 레벨을 상승시켜주는 동작만을 수행하게 된다.
한편, 반도체 장치의 동작 중에는 발진기(12) 회로를 구동하는 회로의 주된 전원의 레벨이 낮아지게 되는 상황도 발생하게 되고, 이 때문에 발진기(12) 회로의 출력 주기 또한 늘어나게 되는 경우가 있다. 그 결과, 고전압 펌프(14)에서 고전압(VPP) 레벨 하강 현상이 더 심각하게 나타나는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명에서는 또 다른 고전압 검출기를 추가하여, 발진기의 구동 전압과 고전압 레벨의 차이를 감지하는 기능을 수행하도록 하여 발진기의 주기를 순간적으로 증가시킬 수 있는 고전압 발생기를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 고전압을 출력하는 반도체 장치용 고전압 발생기는 고전압을 피드백 수신하여 제 1 기준전압과 비교하는 제 1 고전압 검출기와, 고전압을 피드백 수신하여 상기 제 1 기준전압보다 높은 제 2 기준전압과 비교하는 제 2 고전압 검출기와, 제 1 고전압 검출기 및 제 2 고전압 검출기를 수신하는 발진기와, 발진기로부터의 출력신호에 의하여 상기 고전압을 출력하는 고전압 펌프를 구비하며, 제 1 고전압 검출기의 출력신호에 의하여 상기 발진기가 인에이블되고, 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 발진기로부터 출력되는 신호의 주기가 변동된다.
본 발명에 있어서, 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 "일정수준" 높은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기는 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 "일정 수준" 낮은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기보다 더 느리다. 여기서, "일정 수준"이란 반도체 장치의 목적에 맞게 다양한 변경이 가능한 일정 전압, 즉 밴드 전압 또는 갭 전압을 의미한다.
또한, 발진기는 링 형태의 인버터 체인으로 이루어지며, 상기 인버터 체인의 구동전압은 상기 제 2 기준전압과 상기 고전압중에서 선택되어 인가된다. 여기서, 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 일정 수준 높은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기는 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 낮은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기보다 더 느리다.
본 발명 다른 일예로서, 발진기는 링 형태의 인버터 체인으로 이루어지며, 상기 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 인버터 체인을 구성하는 인버터의 갯수를 조절하여 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기를 조절한다. 이 경우,복수개의 인버터로 구성되는 상기 인버터 체인의 특정 부분에 전송 게이트를 배치시키고, 상기 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 전송 게이트를 턴온/오프시켜 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기를 조절한다.
(실시예)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 발생기의 실시예이다.
도시된 바와같이, 본 발명의 고전압 발생기는 고전압 검출기(30)와, 발진기(32)와, 고전압 펌프(34)와, 고전압 검출기(36)로 이루어진다. 여기서, 고전압 검출기(30)는 고전압(VPP)과 기준전압(VDD1)을 수신하여 고전압(VPP)이 기준전압보다 높은지 여부를 판단한다. 또한, 고전압 검출기(36)는 고전압(VPP)과 기준전압(VDD2)을 수신하여 고전압(VPP)이 기준전압보다 일정 수준 만큼 높은지 여부를 판단한다. 본 발명에 따른 발진기(32)는 소정의 주기를 갖는 펄스 신호를 발생하여 고전압 펌프(34)의 출력전압을 상승시키는 기능을 한다. 종래의 경우와 달리, 본 발명의 발진기(32)는 고전압 검출기(30)의 출력신호(Osc_en)와 고전압 검출기(36)의 출력신호(pp_detec)를 수신한다. 그리고, 고전압 펌프(34)는 발진기(32)로부터 출력되는 펄스 신호에 의하여 고전압을 출력하며, 이는 종래의 회로 구성과 사실상 동일하며, 그 다양한 변경이 가능하다.
이하, 도 3에 도시된 고전압 발생기의 구성 회로에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3에서, 고전압 검출기(30)는 고전압(VPP) 레벨을 감지하는 회로로서, 고전압 레벨이 기준 전압(VDD1)보다 낮을 때, Osc_en 신호를 발생 시킨다.
다음, 고전압 검출기(36)는 고전압 레벨를 감지하는 또 다른 회로로서, 고전압 레벨이 기준 전압(VDD2)보다 일정 수준 낮아지면 pp_detec 신호를 발생한다. 여기서, 기준전압(VDD2)은 기준전압(VDD1)보다 충분히 높은 전압이다.
다음, 발진기(32)는 고전압 펌프(34)를 구동하는 Osc 신호를 발생시키는 오실레이터 회로이다. 동작에 있어서, 고전압 검출기(30)로부터 Osc_en 신호에 의하여 오실레이터의 구동 여부가 결정되고, 고전압 검출기(36)의 출력신호 (pp_detec)에 의하여 오실레이터로부터 출력되는 신호의 주기가 변화하게 된다.
마지막으로, 고전압 펌프(34)는 발진기(32)로부터의 출력신호(pp_osc)에 의하여 고전압(VPP) 레벨를 상승시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 발진기(32)의 일예이다.
도시된 바와같이, 발진기(32)는 NAND 게이트 및 상기 NAND 게이트의 출력신호를 수신하는 인버터 체인을 포함한다. 여기서, NAND 게이트 및 인버터 체인의 구동전압은 기준전압(VDD2) 또는 고전압(VPP)이며, 이들 구동전압은 PMOS 트랜지스터에 의하여 각각 공급된다. 즉, NAND 게이트 및 인버터 체인에 기준전압(VDD2)을 공급하는 PMOS 트랜지스터는 그 게이트로 공급되는 신호(pp_detec)에 의하여 턴온되며, NAND 게이트 및 인버터 체인에 고전압(VPP)을 공급하는 PMOS 트랜지스터는 그 게이트로 공급되는 신호(pp_detec)의 반전 신호에 의하여 턴온된다.
이하, 도 3 및 도 4에 도시된 회로의 동작을 설명한다.
도 3 에서 알 수 있듯이, 본 발명의 경우, 기존의 회로에 고전압 검출기(36)가 추가되었음을 알 수 있다.
어떤 원인에 의하여 발진기(32) 회로의 구동 전압(VDD2)이 낮아지면, 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기가 낮아지게 되고 이는 최종적으로 고전압(VPP) 레벨의 하강을 가져온다.
이 경우, 일반적으로, 구동전압(VDD2)의 하강 정도와 고전압(VPP)의 하강 정도를 비교하여 보면, 고전압(VPP) 레벨의 하강 값이 더 크다. 이때, 발진기(32)에 사용되는 이들 구동전압(VDD2, VPP) 레벨의 차이를 비교하는 회로가 고전압 검출기(36)이다. 발진기(32)에 사용되는 이들 구동전압(VDD2, VPP) 레벨의 차이 정도에 따라서, 고전압 검출기(36)의 출력신호(pp_detec)는 하이레벨 또는 로우 레벨로 변동하며, 이러한 변동으로 인하여 발진기로부터 출력되는 신호(Osc)의 주기에 변화가 초래된다(도 4 참조).
이하, 도 4 에 도시된 발진기 회로의 동작에 대하여 설명한다.
도 4 에서 알 수 있듯이, 고전압 검출기(36)의 출력전압(pp_detec)의 상태에 따라 발진기의 구동 전압이 변동되어 그 출력신호의 주기가 변하게 됨을 알 수 있다. 즉, VDD2 레벨과 VPP 레벨이 정상 상태이면, 즉, VPP 레벨이 VDD2 레벨보다 일정 수준 이상이면, 고전압 검출기(36)의 출력신호(pp_detec)는 (즉, VPP 레벨이 VDD2 레벨보다 일정량 높은 상태)로우 레벨이며, 따라서, VDD2(발진기 디폴트 동작 전압)에 의하여 발진기가 동작한다. 그 반대의 경우, 즉, VPP 레벨이 VDD2 레벨보다 낮은 상태이면, 발진기(32)의 구동전압은 VPP 전압이 되며, 발진기로부터 출력되는 신호의 주기를 빠르게 한다.
도 5는 본 발명에 따른 발진기의 다른 실시예이다.
도 5 에 도시된 발진기의 주기 조절은 링 오실레이터에 사용되는 인버터의 수를 조절하는 방법이다.
도 4에서와 마찬가지로, 고전압 검출기(36)의 출력신호(pp_detec)의 상태에 따라 발진기의 동작 주기가 변화한다. 즉, VDD2와 VPP가 정상상태이면, 즉 VPP가 VDD2 보다 일정 수준 이상으로 높은 상태이면, NAND 게이트 및 4 개의 인버터 체인에 의하여 소정의 주기 신호를 발생한다. 그러나, 그 반대의 경우, 즉 VPP가 VDD2 보다 일정 수준 이하로 낮은 상태이면, NAND 게이트 및 2 개의 인버터 체인을 통하여 소정의 주기를 갖는 신호를 발생한다. 참고로, 도 5에서, pp_detecb 신호는 pp_detec 신호의 반전 신호이다.
이상에서 알 수 있는 바와같이, 기술의 발전으로 인한 반도체 장치의 고집적화에 의하여 전류의 소모가 증가하게 되었고, 특히 한 번의 액티브 신호에 의해 동작하는 회로의 수가 많아져서 발생하는 순간 소모 전류의 증가는 파워 노이즈의 증가로 인한 전압 레벨의 하강을 가져오게 되나, 본 발명에 따른 고전압 발생기의 동작시, 고전압(VPP) 레벨이 낮아질 때, VPP 레벨과 발진기 구동 전압의 차이를 비교하여 발진기의 주기를 조절하는 기능을 추가하여 고전압 펌프 동작을 보다 빠르게 할 수 있다.
도 1 은 종래의 일반적인 고전압 발생기의 일예.
도 2 는 도 1 에 도시된 고전압 펌프의 일예.
도 3은 본 발명에 따른 고전압 발생기의 실시예.
도 4는 본 발명에 따른 발진기의 일예.
도 5는 본 발명에 따른 발진기의 다른 일예.

Claims (6)

  1. 고전압을 출력하는 반도체 장치용 고전압 발생기에 있어서,
    상기 고전압을 피드백 수신하여 제 1 기준전압과 비교하는 제 1 고전압 검출기와,
    상기 고전압을 피드백 수신하여 상기 제 1 기준전압보다 높은 제 2 기준전압과 비교하는 제 2 고전압 검출기와,
    상기 제 1 고전압 검출기 및 제 2 고전압 검출기를 수신하는 발진기와,
    상기 발진기로부터의 출력신호에 의하여 상기 고전압을 출력하는 고전압 펌프를 구비하며,
    상기 제 1 고전압 검출기의 출력신호에 의하여 상기 발진기가 인에이블되고, 상기 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 발진기로부터 출력되는 신호의 주기가 변동되는 반도체 장치용 고전압 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 높은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기는 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 일정 수준 낮은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기보다 더 느린 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 고전압 발생기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 발진기는 링 형태의 인버터 체인으로 이루어지며, 상기 인버터 체인의 구동전압은 상기 제 2 기준전압과 상기 고전압중에서 선택되어 인가되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 고전압 발생기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 일정 수준 높은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기는, 상기 고전압이 상기 제 2 기준전압보다 일정 수준 낮은 경우에 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기보다 더 느린 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 고전압 발생기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 발진기는 링 형태의 인버터 체인으로 이루어지며, 상기 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 인버터 체인을 구성하는 인버터의 갯수를 조절하여 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 고전압 발생기.
  6. 제 5 항에 있어서, 복수개의 인버터로 구성되는 상기 인버터 체인의 특정 부분에 전송 게이트를 배치시키고, 상기 제 2 고전압 검출기의 출력신호의 전위 레벨에 따라서 상기 전송 게이트를 턴온/오프시켜 상기 발진기로부터 출력되는 주기 신호의 주기를 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치용 고전압 발생기.
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