KR20080029635A - 백 바이어스 전압의 생성방법 및 생성회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도에 대해 의존성을 갖도록 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 회로에 관한 것으로서, 백 바이어스 전압(VBB)을 피드백 받아 검출하며, 각각의 타겟 레벨을 다르게 설정함으로써 검출된 전위레벨이 서로 다른 복수 개의 전압검출수단과, 온도정보에 응답하여 상기 복수 개의 전압검출수단의 출력신호 중 어느 하나의 출력신호를 선택하는 선택수단, 및 상기 선택수단에 의해 선택된 상기 전압검출수단의 출력신호를 입력받아 백 바이어스 전압을 펌핑하는 펌핑수단을 포함한다.
백 바이어스 전압(VBB), 백 바이어스 전압 검출기, 백 바이어스 전압 생성기, 온도 정보 전달부

Description

백 바이어스 전압의 생성방법 및 생성회로{A METHOD AND A CIRCUIT FOR GERERATION OF BACK BIAS VOLTAGE}
도 1은 종래의 기술에 따른 백 바이어스 전압 생성기에서 백 바이어스 전압(VBB)이 생성되는 과정을 도시한 블록도.
도 2는 반도체 메모리 셀 트랜지스터에서 온도에 따른 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 변동하는 것을 도시한 그래프.
도 3은 도 1에서 도시된 종래 기술에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 온도에 따라 변동하는 것을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백 바이어스 전압 생성기에서 백 바이어스 전압(VBB)이 생성되는 과정을 도시한 블록도.
도 5는 도 4에서 도시된 본 발명의 실시예에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 온도에 따라 변동하는 것을 도시한 그래프.
본 발명은 반도체 소자에서 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 회로에 관한 것으로, 특히, 온도에 대해 의존성을 갖도록 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 회로에 관한 것이다.
반도체 메모리 소자의 초고속, 고밀도, 저전력화에 따라 DRAM에서는 내부전압을 사용하여 왔다. 내부전압을 생성하기 위해서는 기준(Reference)전위를 만들고, 생성된 기준전위를 사용하여 차지 펌핑(charge pumping) 또는 다운 컨버팅(down converting)등을 이용하여 만든다.
차지 펌핑(charge pumping)을 이용한 대표적인 내부전압으로는 승압전압(VPP)과 백 바이어스 전압(VBB)이 있다. 또한, 다운 컨버팅(down converting) 이용한 대표적인 내부전압으로는 코어전압(VCORE)이 있다.
일반적으로 승압전압(VPP)은 셀을 액세스하기 위해 셀 트랜지스터의 게이트 (또는 워드 라인(Word line))에 셀 데이터의 손실이 없도록 외부전원전압(VDD)보다 높은 전위를 인가하기 위해 만든다.
또한, 백 바이어스 전압(VBB)은 셀 트랜지스터에 대한 바디 이펙트(body effect) 효과에 의해 문턱전압(Vt)의 변화를 감소시켜 안전성을 높이고 채널 누설 전류(channel leakage current)를 감소시키기 위해 사용한다. 즉, 셀 트랜지스터에 저장되어 있는 데이터의 손실을 막기 위해서 셀 트랜지스터의 벌크에 외부접지전압(VSS)보다 낮은 전위를 인가하기 위해 만든다.
그리고, 코어전압(VCORE)은 전력손실을 줄이고 안정된 코어의 동작을 위해 외부전원전압(VDD)를 다운 컨버팅(down converting)하여 외부전원전압(VDD)보다 낮 고 동작영역 내에서는 외부전원전압(VDD)의 변동에 대해 일정한 전위를 유지하도록 증폭기(op-amp)등을 사용하여 만든다.
전술한 내부전압(VPP, VBB, VCORE)을 생성하는 내부전압 생성기는 반도체 메모리 소자의 동작 전압 영역 및 동작 범위 온도내에서 일정 편차의 값을 갖고 동작하도록 설계된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 백 바이어스 전압 생성기에서 백 바이어스 전압(VBB)이 생성되는 과정을 도시한 블록도 이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 백 바이어스 전압 생성기(10)에서 백 바이어스 전압(VBB)이 차지 펌핑(charge pumping)을 통해 생성되는 과정을 알 수 있다.
첫째, 백 바이어스 전압 검출부(11)는 백 바이어스 전압 펌프(13)에서 피드백되는 백 바이어스 전압(VBB)을 입력받아 백 바이어스 전압 오실레이터(12)의 구동을 제어하는 인에이블 신호(Enable)를 생성한다.
둘째, 백 바이어스 전압 오실레이터(12)는 인에이블 신호(Enable)에 응답하여 백 바이어스 전압 펌프(13)의 펌핑동작을 제어하는 오실레이터 신호(OSC)를 생성한다.
셋째, 백 바이어스 전압 펌프(13)는 오실레이터 신호(OSC)에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)를 생성한다.
도 1에 도시된 백 바이어스 전압 생성기(10)를 포함하여 DRAM에서 백 바이어스 전압을 생성하는 과정은 다음과 같다.
DRAM에 외부 전원이 인가되고 이 전위가 DRAM 내부에 전달되어 DRAM을 동작시킬 수 있을 정도의 일정 전위가 되면 파워 업 신호를 띄운다. (이 후 파워 업 펄스가 만들어지고 이 펄스는 모든 플로팅 노드를 초기화한다.)
파워 업 신호가 뜨면 DRAM은 차지 펌핑(charge pumping)과 다운 컨버팅(down converting)을 통해 내부전원을 만들기 시작한다. 이때까지 백 바이어스 전압(VBB)의 전위는 접지전위이다. 이런 상황에서 백 바이어스 전압 검출부(11)는 백 바이어스(VBB)전압이 코어전압(VCORE)보다 낮은 전위임을 감지하여 인에이블 신호(Enable)를 활성화시킴으로써 백 바이어스 전압 오실레이터(12) 및 백 바이어스 전압 펌프(13)을 구동한다. 즉, 백 바이어스 전압(VBB)를 생성한다.
도 2는 반도체 메모리 셀 트랜지스터에서 온도에 따른 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 변동하는 것을 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 반도체 메모리 셀 트랜지스터에서 온도가 증가할 수 록 문턱 전압(Vt)은 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
Figure 112006071820211-PAT00001
수학식 1에서 Vt(0)는 실온(T0)에서의 Vt이며,
Figure 112006071820211-PAT00002
는 비례상수이다. 즉, 온도가 증가할 수 록 문턱 전압(Vt)이 선형적으로 감소하고, 온도가 감소할 수 록 문턱 전압(Vt)이 선형적으로 증가한다.
Figure 112006071820211-PAT00003
수학시 2와 같이 문턱 전압(Vt)은 백 바이어스 전압(VBB)의 함수로 나타내어 진다. 즉, 백 바이어스 전압(VBB)의 절대값이 증가할수록 문턱 전압(Vt)의 전위레벨은 높아지고, 백 바이어스 전압(VBB)의 절대값이 감소할수록 문턱 전압(Vt)의 전위레벨은 낮아진다.
도 3은 도 1에서 도시된 종래 기술에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 온도에 따라 변동하는 것을 도시한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 종래 기술에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 온도의 변동에 대해 거의 일정한 전위레벨을 유지하는 것을 알 수 있다.
반도체 메모리 소자는 온도가 감소하면 셀 트랜지스터의 드레인-소스간 접촉(contact) 저항이 증가하고, 수학식 1에서와 같이 셀 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)가 증가하는 현상이 발생한다.
이에 따라, 셀 트랜지스터의 문턱 전압(Vt) 및 코어회로를 구성하는 NMOS트랜지스터의 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 상승하여 동작 시점이 느려지고, 동작 전류가 감소하여 속도가 저하되는 현상을 일으킨다.
수학식 2에서처럼 백 바이어스 전압(VBB)의 절대값에 따라 셀 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)이 변동하기는 하지만, 도 3에서처럼 종래 기술에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)은 온도의 변동에 따라 전위레벨이 변동하지 않는다. 즉, 온도 변 동에 대해 문턱 전압(Vt)이 변동하는 것을 종래 기술에 따른 백 바이어스 전압(VBB)으로는 보상할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 온도의 변동에 대해 전위레벨이 변동하는 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 백 바이어스 전압(VBB)을 피드백 받아 검출하며, 각각의 타겟 레벨을 다르게 설정함으로써 검출된 전위레벨이 서로 다른 복수 개의 전압검출수단; 온도정보에 응답하여 상기 복수 개의 전압검출수단의 출력신호 중 어느 하나의 출력신호를 선택하는 선택수단; 및 상기 선택수단에 의해 선택된 상기 전압검출수단의 출력신호를 입력받아 백 바이어스 전압을 펌핑하는 펌핑수단을 포함하는 백 바이어스 전압 생성기가 제공된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 백 바이어스 전압 생성기에서 백 바이어스 전압(VBB)이 생성되는 과정을 도시한 블록도 이다.
도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 백 바이어스 전압 생성기(100)는, 백 바이어스 전압(VBB)을 피드백(feedback) 받아 검출하며, 각각의 타겟 레 벨(target level)을 다르게 설정함으로써 검출된 전압의 전위레벨이 서로 다른 복수 개의 전압 검출부(제1백 바이어스 전압 검출부, 제2백 바이어스 전압 검출부, 120)와, 온도정보(Select)에 응답하여 복수 개의 전압 검출부(120)의 출력신호(Enable1, Enable2) 중 어느 하나의 출력신호를 선택하는 선택부(140), 및 선택부(140)에 의해 선택된 전압 검출부의 출력신호(Enable1 or Enable2)를 입력받아 백 바이어스 전압(VBB)을 펌핑(pumping)하는 펌핑부(160)를 포함한다.
도 4을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 백 바이어스 전압 생성기(100)에서 백 바이어스 전압(VBB)이 차지 펌핑(charge pumping)을 통해 생성되는 과정은 다음과 같다.
첫째, 복수 개의 백 바이어스 전압 검출부(120)는 백 바이어스 전압 펌프(164)에서 피드백되는 백 바이어스 전압(VBB)을 각각 입력받아 백 바이어스 전압 오실레이터(162)의 구동을 제어하는 복수 개의 인에이블 신호(Enable1, Enable2)를 생성한다. 이때, 복수 개의 백 바이어스 전압 검출부(120)는 각각의 타겟 레벨(target level)이 다르게 설정되어 있으므로 검출되는 전압의 전위레벨이 서로 다르다.
둘째, 선택부(140)는 온도 정보 전달부(180)로부터 전달받은 반도체 소자의 온도 정보(Select)에 응답하여 복수 개의 인에이블 신호(Enable1, Enable2) 중 어느 하나의 신호를 선택하여 출력한다.
예를 들어, 입력받은 온도 정보가 설정된 온도 T보다 높은 온도이면 인에이블 신호의 제1신호(Enable1)를 선택하여 출력하고, 입력받은 온도 정보가 설정된 온도 T보다 낮은 온도이면 인에이블 신호의 제2신호(Enable2)를 선택하여 출력한다.
셋째, 백 바이어스 전압 오실레이터(162)는 선택부(140)에 의해 선택된 전압 검출부의 출력신호(Enable1 or Enable2)에 응답하여 백 바이어스 전압 펌프(164)의 펌핑동작을 제어하는 오실레이터 신호(OSC)를 생성한다.
넷째, 백 바이어스 전압 펌프(164)는 오실레이터 신호(OSC)에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)를 생성한다.
여기서, 온도 정보 전달부(180)에서 온도정보(Select)를 생성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있는데 여기서는 크게 2가지 방법을 소개하기로 한다.
첫째, 온도 정보 출력 장치(On Die Thermal Sensor - ODTS)를 백 바이어스 전압 생성기(100)에 더 포함하여 반도체 소자의 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 온도정보(Select)로서 선택부(140)로 전달한다.
둘째, 메모리 레지스터 셋(MRS)의 설정된 온도 값을 온도정보(Select)로서 선택부(140)로 전달한다.
그리고, 백 바이어스 전압 생성기(100)의 구성요소 중 선택부(140)는, 상대적으로 낮은 온도 값의 온도정보(Select)에 응답하여 복수 개의 전압 검출부(120)의 출력신호(Enable1, Enable2) 중 타겟 레벨(target level)이 낮은 전압 검출부의 출력신호를 선택한다.
또한, 백 바이어스 전압 생성기(100)의 구성요소 중 선택부(140)는, 상대적으로 높은 온도 값의 온도정보(Select)에 응답하여 복수 개의 상기 전압 검출 부(120)의 출력신호(Enable1, Enable2) 중 타겟 레벨(target level)이 높은 전압 검출부의 출력신호를 선택한다.
그리고, 백 바이어스 전압 생성기(100)의 구성요소 중 펌핑부(160)는, 선택부(140)에 의해 선택된 전압 검출부의 출력신호(Enable)에 응답하여 오실레이팅 신호(OSC)를 생성하는 오실레이터(162), 및 오실레이팅 신호(OSC)에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)을 펌핑하는 펌프(164)를 포함한다.
도 5는 도 4에서 도시된 본 발명의 실시예에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 온도에 따라 변동하는 것을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 생성된 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨은 선택부(140)에 설정된 기준온도T에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨을 변동하여 출력하는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명의 실시예를 적용하면, 온도의 변동에 따라 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨을 변동할 수 있다.
예를 들어, 반도체 소자의 온도가 낮아져 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 상승하고, 이에 따라 셀 트랜지스터의 동작 전류가 감소하여 발생하는 반도체 소자의 속도 저하 현상에서, 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨을 변동함으로써 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 상승하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 반도체 소자의 속도 저하 현상을 방지할 수 있다.
또한, 온도의 변동에 따라 전위레벨이 선형적으로 변동하는 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 구조의 백 바이어스 전압 생성기에서, 온도에 따른 백 바이어 스 전압(VBB)의 전위레벨이 원하는 레벨보다 더 높아지거나 낮아지는 현상을 개선하여 일정한 전위레벨을 갖는 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 것이 가능하다.
전술한 본 발명은 온도의 변동에 따라 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨을 변동함으로써 반도체 소자의 온도가 낮아져 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 상승하고, 이에 따라 셀 트랜지스터의 동작 전류가 감소하여 발생하는 반도체 소자의 속도 저하 현상에서도 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨을 변동하여 문턱 전압(Vt)의 전위레벨이 상승하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 반도체 소자의 속도 저하 현상을 방지할 수 있다.
또한, 온도의 변동에 따라 전위레벨이 선형적으로 변동하는 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 구조의 백 바이어스 전압 생성기에서, 온도에 따른 백 바이어스 전압(VBB)의 전위레벨이 원하는 레벨보다 더 높아지거나 낮아지는 현상을 개선하여 일정한 전위레벨을 갖는 백 바이어스 전압(VBB)을 생성하는 것이 가능하다.

Claims (9)

  1. 백 바이어스 전압(VBB)을 피드백 받아 검출하며, 각각의 타겟 레벨을 다르게 설정함으로써 검출하는 전위레벨이 서로 다른 복수 개의 전압검출수단;
    온도정보에 응답하여 상기 복수 개의 전압검출수단의 출력신호 중 어느 하나의 출력신호를 선택하는 선택수단; 및
    상기 선택수단에 의해 선택된 상기 전압검출수단의 출력신호를 입력받아 백 바이어스 전압을 펌핑하는 펌핑수단
    을 포함하는 백 바이어스 전압 생성기.
  2. 제1항에 있어서,
    반도체 소자의 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 상기 온도정보로서 상기 선택수단으로 전달하는 온도정보 전달수단
    을 더 포함하는 백 바이어스 전압 생성기.
  3. 제1항에 있어서,
    메모리 레지스터 셋(MRS)의 설정된 온도 값을 상기 온도정보로서 상기 선택수단으로 전달하는 온도정보 전달수단
    을 더 포함하는 백 바이어스 전압 생성기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선택수단은,
    상대적으로 낮은 온도 값의 상기 온도정보에 응답하여 복수 개의 상기 전압검출수단의 출력신호 중 상기 타겟 레벨이 낮은 상기 전압검출수단의 출력신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 백 바이어스 전압 생성기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선택수단은,
    상대적으로 높은 온도 값의 상기 온도정보에 응답하여 복수 개의 상기 전압검출수단의 출력신호 중 상기 타겟 레벨이 높은 상기 전압검출수단의 출력신호를 선택하는 것을 특징으로 하는 백 바이어스 전압 생성기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펌핑수단은,
    상기 선택수단에 의해 선택된 상기 전압검출수단의 출력신호에 응답하여 오 실레이팅 신호를 생성하는 오실레이터; 및
    상기 오실레이팅 신호에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)을 펌핑하는 펌프
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 백 바이어스 전압 생성기.
  7. 백 바이어스 전압(VBB)을 피드백 받아 각각 다른 복수의 타겟 레벨에 따른 복수의 백 바이어스 전압(VBB) 레벨을 검출하는 단계;
    온도정보에 응답하여 복수의 상기 백 바이어스 전압(VBB) 레벨 중 어느 하나의 백 바이어스 전압(VBB) 레벨을 선택하는 단계; 및
    상기 선택하는 단계에 의해 선택된 상기 백 바이어스 전압(VBB) 레벨에 응답하여 백 바이어스 전압(VBB)을 펌핑하는 단계
    를 포함하는 백 바이어스 전압 생성방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    반도체 소자의 온도를 측정하고, 측정된 온도 값을 상기 온도정보로서 입력받는 단계를 더 포함하는 백 바이어스 전압 생성방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 선택하는 단계는,
    메모리 레지스터 셋(MRS)으로부터 설정된 온도 값을 상기 온도정보로서 입력받는 단계를 더 포함하는 백 바이어스 전압 생성방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20150077753A (ko) * 2013-12-30 2015-07-08 에스케이하이닉스 주식회사 백 바이어스를 제어하는 반도체 장치

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