KR20050086255A - 반도체 메모리 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀프 리프레쉬 모드시에 백바이어스전압 VBB 레벨을 노멀 모드시보다 더 낮은 레벨로 클램핑시켜 출력하는 백바이어스 전압 발생부를 포함하여, 누설전류를 감소시킴으로써 리프레쉬 특성을 개선하여 저전력을 구현하는 기술이다.
이를 위해 본 발명은 셀프 리프레쉬 모드신호를 사용하여 셀프 리프레쉬 모드 여부를 감지하는 셀프 리프레쉬 모드 감지수단과, 상기 셀프 리프레쉬 모드 감지부의 출력에 따라 상기 그라운드 전압의 드랍을 조정하는 백바이어스 전압 드랍수단과, 소정의 제어신호에 의해 인에이블되어 상기 백바이어스 전압 드랍부에 의해 조정된 전압을 백바이어스 전압으로 출력하는 출력수단으로 구성된 백바이어스 전압 발생회로를 포함하여 셀프 리프레쉬 모드에서 노멀 동작시보다 낮은 절대값을 갖는 백바이어스 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 메모리 소자{Semiconductor memory device}
본 발명은 반도체 메모리 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀프 리프레쉬 모드시에 백바이어스전압 VBB 레벨을 노멀 모드시보다 더 낮은 레벨로 클램핑시켜 출력하는 백바이어스 전압 발생부를 포함하여, 누설전류를 감소시킴으로써 리프레쉬 특성을 개선하여 저전력을 구현하는 기술이다.
일반적으로 저전력에 대한 필요와 신뢰성에 대한 요구가 점점 커짐에 따라 반도체 메모리 소자의 내부전원은 점점 낮아지는 추세이다.
반도체 메모리 소자에 사용되는 내부전원 중의 하나인 백바이어스전압(VBB)은 디램(DRAM)의 P웰(P Well)에 인가되는 네거티브(Negative) 전원으로 이용되고 있다.
일반적인 반도체 메모리 소자의 셀의 PN 정션(junction) 양단(A)의 전위차로 인해 누설전류가 발생하게 되며 이러한 누설전류를 정션 누설전류(junction leakage current)라고 한다. 이러한 정션 누설전류는 N-에 인가되는 백바이어스 전압 VBB의 절대값이 클수록 PN 정션 양단의 전위차가 커져 누설전류도 커지게 되는 문제점이 있다.
또한, 통상적으로 노멀 모드시에는 고속 동작 등으로 인해 전류 소모가 크고 셀프 리프레쉬 모드시에는 전류소모가 적은데, 종래의 반도체 메모리 소자는 노멀 모드시와 리프레쉬 모드시 구별없이 모두 백바이어스전압 VBB을 이용함으로써, 전류소모가 큰 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 노멀 모드와 셀프 리프레쉬 모드를 구분하여, 셀프 리프레쉬 모드 시 백바이어스전압 VBB 등의 내부전압을 노멀모드시보다 더 낮은 전압으로 클램핑하여 제공함으로써 누설전류를 감소시켜 저전력을 확보하고 리프레쉬 특성을 개선하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은 셀프 리프레쉬 모드신호를 사용하여 셀프 리프레쉬 모드 여부를 감지하는 셀프 리프레쉬 모드 감지수단과, 상기 셀프 리프레쉬 모드 감지부의 출력에 따라 상기 그라운드 전압의 드랍을 조정하는 백바이어스 전압 드랍수단과, 소정의 제어신호에 의해 인에이블되어 상기 백바이어스 전압 드랍부에 의해 조정된 전압을 백바이어스 전압으로 출력하는 출력수단으로 구성된 백바이어스 전압 발생회로를 포함하여 셀프 리프레쉬 모드에서 노멀 동작시보다 낮은 절대값을 갖는 백바이어스 전압을 출력하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 일부 구성을 나타내는 블럭도이다.
본 발명에 따른 반도체 메모리 소자는 백바이어스 전압 발생부(10), 워드라인 구동부(20), 및 메모리 셀블럭(30)을 포함하여 구성된다.
백바이어스 전압 발생부(10)는 셀프 리프레쉬 모드신호 SELF와 백바이어스전압신호 VBBA에 의해 제어되어 백바이어스 전압 VBB을 출력한다.
워드라인구동부(20)는 워드라인 부스팅전압 PX 및 백바이어스전압 VBB을 이용하여, 메인 워드라인 신호 MWL를 수신하고 워드라인신호 WL를 출력한다. 즉, 셀프리프레쉬 모드시에 메모리 셀블럭(30)으로 백바이어스 전압레벨의 워드라신호 WL가 출력된다.
도 2는 도 1의 백바이어스전압 발생부(10)의 세부 회로도이다.
백바이어스 전압 발생회로는 셀프 리프레쉬 모드 감지부(11), 및 백바이어스 전압 드랍부(12), 및 출력부(13)로 구성된다.
셀프 리프레쉬 모드 감지부(11)는 드레인에 그라운드전압 VSS이 인가되고 셀프 리프레쉬 모드신호에 의해 제어되는 엔모스 트랜지스터 NM1로 구성되어 백바이어스 전압 드랍부(12)의 그라운드 전압 레벨의 드랍을 조정한다. 엔모스 트랜지스터 NM1는 다이오드로서, 셀프리프레쉬신호 SELF에 의해 제어되어 접지전압 VSS을 문턱전압만큼 드랍시켜 소스에 인가한다. 여기서, 셀프 리프레쉬 신호 SELF는 셀프 리프레쉬 모드 시에 하이레벨이 되고, 노멀 모드시에 로우레벨이 된다.
백바이어스 전압 드랍부(12)는 다이오드 기능을 하는 엔모스 트랜지스터 NM2 내지 NM6를 직렬 연결하여 구성한다. 엔모스 트랜지스터 NM2 내지 NM7은 접지전압 VSS단과 백바이어스전압 VBB단 사이에 직렬로 연결되어 다이오드 기능을 하고, 엔모스 트랜지스터 NM4의 드레인은 엔모스 트랜지스터 NM1의 소스에 연결된다.
출력부(13)는 백바이어스전압신호 VBBA에 의해 제어되어 백바이어스 전압 드랍부(12)의 출력을 백바이어스전압 VBB으로 출력하는 엔모스 트랜지스터 NM7로 구성된다. 이때, 평상시에는 로우레벨의 백바이어스전압신호 VBBA를 인가하여 엔모스트랜지스터 NM7가 턴오프되어 전류소스(current source)로 작용되지 않다가, 백바이어스전압 VBB의 레벨을 변화시킬 때만 하이레벨의 백바이어스전압신호 VBBA를 인가하여 엔모스 트랜지스터 NM7가 구동되어 전류 패스를 도통시킨다.
이하, 도 2의 백바이어스 전압 발생부(10)의 동작을 설명하기로 한다.
노멀 모드시에는 로우레벨의 셀프 리프레쉬 모드신호 SELF가 입력되어, 엔모스 트랜지스터 NM2 내지 NM7이 턴온되어 그라운드 전압 VSS 레벨을 6개의 다이오드의 문턱전압만큼 드랍시킨 전압 레벨이 백바이어스 전압 VBB 레벨이 된다.
셀프 리프레쉬 모드시에는 하이레벨의 셀프 리프레쉬 모드신호 SELF가 입력되어, 엔모스 트랜지스터 NM1, NM4 내지 NM6이 턴온되어 그라운드 전압 VSS 레벨을 총 5개의 다이오드의 문턱전압 만큼 드랍시킨 전압 레벨이 백바이어스 전압 VBB으로 출력된다. 따라서, 노멀 모드시의 백바이어스 전압 VBB 레벨의 절대값보다 셀프 리프레쉬 모드시의 백바이어스 전압 VBB 레벨의 절대값이 더 작게 된다.
이와같이, 본 발명은 셀프 리프레쉬 모드 신호 SELF를 이용하여 셀프 리프레쉬 모드 동작 엔트리를 감지하여, 셀프 리프레쉬 모드시에만 백바이어스전압 VBB 레벨을 클램핑시켜, 백바이어스전압 VBB 레벨을 절대값 기준으로 0.2V ~ 0.4V정도 낮추면 정션(junction)의 양단의 전위차가 낮아져서 누설전류가 감소하게 되어 리프레쉬 특성을 개선할 수 있다. 그에 따라, 셀프 리프레쉬 주기를 늘려주어 전류소모를 줄임으로써 저전력을 구현할 수 있게 된다.
도 3은 도 1의 워드라인 구동부(20)의 세부 회로도이다.
워드라인 구동부(20)는 구동부(100) 및 백바이어스 전압 선택부(200)로 구성된다.
구동부(100)는 메인 워드라인신호 MWL를 반전시켜 출력하는 인버터 INV, 인버터 INV의 출력에 의해 각각 제어되는 풀업 트랜지스터 PM 및 풀다운 트랜지스터 NM8로 구성되어 워드라인 신호 WL를 출력한다.
백바이어스 전압 선택부(200)는 셀프 리프레쉬 모드신호 SELF, /SELF에 의해 각각 제어되어 그라운드 전압 VSS과 백바이어스 전압 VBB을 전압단 VXX로 인가하는 엔모스 트랜지스터 NM9, NM10로 구성된다.
구동부(100)의 풀다운 트랜지스터 NM8의 드레인에 인가되는 전압을 그라운드전압 VSS과 백바이어스전압 VBB을 모두 가질 수 있는 전압단 VXX으로 두고, 노멀 모드시에는 전압단 VXX에 그라운드 전압 VSS레벨을 인가하여 사용하고, 셀프 리프레쉬 모드시에는 전압단 VXX에 그라운드 전압 VSS 레벨보다 낮은 백바이어스 전압 VBB레벨을 인가하여 사용하도록 한다.
이때, 풀다운 트랜지스터 NM8의 게이트가 오프 상태인 경우 게이트에 접지전압 VSS 레벨이 아닌 네가티브 레벨을 인가하면 백바이어스전압 VBB이 더 낮아지게 되어, 풀다운 트랜지스터 NM8의 게이트 오프시에 발생되는 누설전류를 방지할 수 있어 리프레쉬 특성을 개선시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백바이어스 전압에 따른 리프레쉬 특성 개선을 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 백바이어스 전압 VBB 레벨의 절대값이 0.1V 하락할 때마다 리프레쉬 특성이 13ms만큼 개선됨을 알 수 있다. 즉, 백바이어스 전압 VBB 레벨의 절대값이 작을수록 리프레쉬 특성이 개선됨을 알 수 있다.
이와같이, 본 발명에서는 노멀 모드와 셀프 리프레쉬 모드시에 각각 백바이어스전압 VBB 레벨을 변경하여 사용하여 리프레쉬 특성을 개선하고 전류소모를 감소시키는 예를 제시하고 있으나, 외부 명령에 의해 정의되는 특정 동작 상태에 따라 승압전압 VPP 등의 내부 전압의 레벨을 변경하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 셀프 리프레쉬 모드시에 백바이어스전압 VBB 레벨을 클램핑시켜, 백바이어스전압 VBB 레벨의 절대값을 낮추면 정션(junction)의 양단의 전위차가 낮아져서 정션 누설전류를 감소시키고, 게이트 오프시의 게이트에 네가티브 레벨의 전압을 인가하여 게이트 오프 누설선류를 감소시켜, 저전력을 구현하고 리프레쉬 특성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 메모리 소자의 일부 구성을 나타내는 블럭도.
도 2는 도 1의 백바이어스전압 발생부의 세부 회로도.
도 3은 도 1의 워드라인 구동부의 세부 회로도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백바이어스 전압에 따른 리프레쉬 특성 개선을 나타내는 그래프.

Claims (5)

  1. 셀프 리프레쉬 모드신호를 사용하여 셀프 리프레쉬 모드 여부를 감지하는 셀프 리프레쉬 모드 감지수단;
    상기 셀프 리프레쉬 모드 감지부의 출력에 따라 상기 그라운드 전압의 드랍을 조정하는 백바이어스 전압 드랍수단; 및
    소정의 제어신호에 의해 인에이블되어 상기 백바이어스 전압 드랍부에 의해 조정된 전압을 백바이어스 전압으로 출력하는 출력수단
    으로 구성된 백바이어스 전압 발생회로를 포함하여,
    셀프 리프레쉬 모드에서 노멀 동작시보다 낮은 절대값을 갖는 백바이어스 전압을 출력하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 출력수단은 상기 백바이어스전압을 출력하지 않는 경우에는 전류패스를 차단시키는 엔모스 트랜지스터로 구성됨을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 백바이어스 전압 드랍부는 복수개의 다이오드를 직렬 연결하여 구성함을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    메인 워드라인 신호를 수신하여 워드라인 신호를 출력하는 구동수단; 및
    상기 셀프 리프레쉬 모드신호에 따라 상기 백바이어스 전압을 선택적으로 출력하는 백바이어스 전압 선택수단
    를 구비하는 워드라인 구동회로를 더 포함하여,
    셀프 리프레쉬 모드시에 노멀 모드보다 절대값이 낮은 상기 백바이어스 전압으로 워드라인을 구동하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 메인 워드라인 신호를 인버팅하는 인버터;
    상기 인버터의 출력에 의해 제어되는 피모스 트랜지스터;
    상기 피모스 트랜지스터와 직렬 연결되는 엔모스 트랜지스터로 구성되고,
    상기 엔모스 트랜지스터의 게이트 오프 상태의 경우 상기 게이트에 네가티브 레벨의 전압을 인가하여 백바이어스 전압의 절대값을 더 낮추는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 소자.
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