KR20090114991A - 반도체 소자의 내부전압 발생기 - Google Patents

반도체 소자의 내부전압 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 설계기술에 관한 것으로서, 반도체 소자의 내부전압 생성회로에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 반도체 메모리 소자의 워드라인 구동전압을 생성하는 기술에 관한 것이다. 본 발명은 안정적인 전압을 공급하는 반도체 소자의 내부전압 발생기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 안정적인 전압을 공급하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
종래의 기술에서는 외부에서 공급되는 전원전압보다 높은 레벨의 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성하기 위해서 전하펌프를 사용하거나 외부에서 직접 공급받는 것으로 요약된다. 본 발명에서는 외부에서 공급되는 외부전원전압에 대응하는 전압과 기준전압을 비교하고 그 결과에 따라서 워드라인 구동전압을 생성하므로 외부전원전압이 변동되는 경우에도 안정적인 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성할 수 있으며, 전하펌프를 위한 공간을 필요로 하지 않는다.
워드라인 구동전압, 펌핑전압, 내부전압 발생기, WL BOOSTING, DC GENERATOR

Description

반도체 소자의 내부전압 발생기{VOLTAGE GENERATOR FOR SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 설계기술에 관한 것으로서, 반도체 소자의 내부전압 생성회로에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 반도체 메모리 소자의 워드라인 구동전압을 생성하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자(SEMICONDUCTOR DEVICE)는 외부에서 공급되는 전원전압을 인가받아서 내부회로를 구동하며, 특정한 내부회로를 구동하는데 필요한 전압을 생성하기 위한 내부전압 생성회로를 구비하고 있다. 반도체 메모리 소자(SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE)는 내부의 반도체 메모리 셀(CELL)을 구동하기 위해서 워드라인 구동전압(VPUMP)을 이용한다. 일반적으로 워드라인 구동전압(VPUMP)은 반도체 메모리 소자에 공급되는 외부 전원전압 보다 높은 전압이므로, 반도체 메모리 소자는 워드라인 구동전압(VPUMP)을 생성하기 위한 내부전원회로를 필요로 한다.
도 1은 종래의 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다.
도 1을 참조하면 워드라인 구동전압 발생기는 레벨 검출부(110), 오실레이터(120), 전하펌프(130)를 구비한다. 전하펌프(130)는 워드라인 구동전압(VPUMP)을 생성하기 위해서 다수의 트랜지스터와 펌핑 캐패시터를 포함하고 있다. 반도체 메모리 소자는 소비전력을 감소시키기 위해서 동작전압을 지속적으로 낮추고 있기 때문에 상기와 같은 방식으로 워드라인 구동전압(VPUMP)을 생성하기 위해서는 펌핑 캐패시터의 크기를 크게 증가시켜야 한다.
도 2는 종래의 다른 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다. 도 2를 참조하면 워드라인 구동전압(VPUMP)은 패드(PAD)를 통해서 외부에서 직접 전달되며 워드라인 구동부(210)로 바로 공급된다. 상기와 같은 방식은 워드라인 구동전압(VPUMP)을 생성하기 위한 펌핑 캐패시터가 필요하지 않기 때문에 반도체 메모리 소자의 동작전압이 낮아질 경우에도 면적 측면에서 유리하다. 하지만, 외부에서 직접 공급되는 워드라인 구동전압(VPUMP)이 변동되거나, 워드라인 구동부(210)의 동작에 의해서 워드라인 구동전압(VPUMP)이 하강할 경우에는 반도체 메모리 셀의 동작 특성이 달라지게 되어서 반도체 메모리 소자의 신뢰성 측면에서 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 안정적인 전압을 공급하는 반도체 소자의 내부전압 발생기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 안정적인 전압을 공급하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 외부로부터 공급되는 외부전원전압의 레벨에 대응하는 검출전압을 생성하기 위한 검출수단; 상기 검출전압과 기준전압의 레벨을 비교하기 위한 비교수단; 및 상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 내부전압단을 구동하기 위한 구동수단을 구비하는 반도체 소자의 내부전압 발생기가 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 외부로부터 공급되는 외부전원전압 -워드라인 구동전압보다 높은 레벨임- 의 레벨에 대응하는 검출전압을 생성하기 위한 검출수단; 상기 검출전압과 기준전압의 레벨을 비교하기 위한 비교수단; 및 상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 워드라인 구동전압단을 구동하기 위한 구동수단을 구비하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기가 제공된다.
종래의 기술에서는 외부에서 공급되는 전원전압보다 높은 레벨의 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성하기 위해서 전하펌프를 사용하거나 외부에서 직접 공급받는 것으로 요약된다. 본 발명에서는 외부에서 공급되는 외부전원전압에 대응하는 전압과 기준전압을 비교하고 그 결과에 따라서 워드라인 구동전압을 생성하므로 외부전원전압이 변동되는 경우에도 안정적인 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성할 수 있으며, 전하펌프를 위한 공간을 필요로 하지 않는다.
본 발명은 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성하기 위해서 전하펌프를 필요로 하지 않기 때문에 반도체 메모리 소자의 동작전압이 낮아지는 경우에도 추가적인 면적이 요구되지 않으며, 외부에서 공급되는 전원전압의 변동이 있을 경우에도 안정적으로 내부전압 또는 워드라인 구동전압을 생성할 수 있다. 또한, 워드라인 구동전압을 안정적으로 공급할 수 있으므로, 이를 이용한 반도체 메모리 셀의 동작특성도 일정하게 유지할 수 있어서 반도체 메모리 소자의 동작 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기는 외부로부터 공 급되는 외부전원전압(VEXT)의 레벨에 대응하는 검출전압(VD)을 생성하기 위한 전압레벨 검출부(10), 검출전압(VD)과 기준전압(VREF)의 레벨을 비교하기 위한 비교부(30), 비교부(30)의 출력신호(VDIFF)에 응답하여 워드라인 구동부(50)에 워드라인 구동전압(VPUMP)을 공급하기 위한 구동부(40)를 구비한다. 또한, 상기의 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기는 기준전압(VREF)을 생성하기 위한 기준전압 생성부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 워드라인 구동전압 발생기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
전압레벨 검출부(10)는 패드(PAD)를 통해서 외부에서 공급되는 외부전원전압(VEXT)의 레벨에 대응하는 검출전압(VD)을 생성한다. 일반적으로 외부전원전압(VEXT)은 워드라인 구동전압(VPUMP)보다 높은 레벨로 인가된다. 비교부(30)는 기준전압 생성부(20)에서 생성된 기준전압(VREF)과 검출전압(VD)을 비교해서 외부전원전압(VEXT)의 레벨변동에 따른 출력신호(VDIFF)를 출력한다. 구동부(40)는 비교부(30)의 출력신호(VDIFF)의 전압레벨에 따라 워드라인 구동부(50)에 워드라인 구동전압(VPUMP)을 공급함으로서 워드라인 구동전압(VPUMP)은 외부전원전압(VEXT)의 변동에도 일정한 전압레벨을 유지할 수 있다.
도 4는 기준전압 생성부(20)의 실시예에 따른 회로도이다.
도 4를 참조하면 기준전압 생성부(20)는 전원전압단(VDD)과 제1 및 2 연결단(N1,N2) 사이에 접속되어 전류를 소싱하기 위한 제1 전류 미러링부(21)와, 접지전압단(VSS)과 제1 및 2 연결단(N1,N2) 사이에 접속되어 전류를 싱킹하기 위한 제2 전류 미러링부(22)를 구비한다. 또한, 제2 전류 미러링부(22)는 기준전압(VREF)을 조절하기 위한 로드(R0)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 기준전압 생성부(20)의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
제1 전류 미러링부(21)를 구성하는 제1 PMOS 트랜지스터(MP3) 및 제2 PMOS 트랜지스터(MP4)와, 제2 전류 미러링부(22)를 구성하는 제1 NMOS 트랜지스터(MN4) 및 제2 NMOS 트랜지스터(MN3)는 각각 게이트 레벨을 공유하는 전류미러 형태로 구성되어 있으며, 제1 전류 미러링부(21)와 제2 전류 미러링부(22)는 서로 연결되어 있다. 따라서 제1 NMOS 트랜지스터(MN4)에 흐르는 전류와 동일한 전류가 제2 NMOS 트랜지스터(MN3)에 흐르도록 제1 연결단(N1)의 전위가 형성되므로 출력되는 기준전압(VREF)은 일정한 전압레벨을 유지한다. 또한, 출력되는 기준전압(VREF)을 조절하기 위해서 제2 NMOS 트랜지스터(MN3)의 소오스(SOURCE)단과 접지전압단(VSS) 사이에 로드(R0)를 삽입함으로서 제2 NMOS 트랜지스터(MN3)의 드레인(DRAIN)과 소오스 사이의 등가 전기저항(RDS)을 변경시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워드라인 구동전압 발생기의 회로도이다.
도 5를 참조하면 워드라인 구동전압 발생기는 패드(PAD)로부터 공급되는 외부전원전압(VEXT)의 레벨에 대응하는 검출전압(VD)을 생성하기 위한 전압레벨 검출부(10), 검출전압(VD)과 기준전압(VREF)의 레벨을 비교하기 위한 비교부(30), 비교부(30)의 출력신호(VDIFF)에 응답하여 워드라인 구동전압(VPUMP)을 생성하기 위한 구동부(40)를 구비한다.
상기와 같이 구성되는 워드라인 구동전압 발생기의 자세한 구성과 동작은 다음과 같다.
전압레벨 검출부(10)는 외부전원전압 공급단(VEXT)과 접지전압단(VSS) 사이에 접속되며, 외부전원전압(VEXT)을 분배하기 위한 서로 직렬로 연결된 다수의 로드용 트랜지스터(MN8~MN11)를 구비하여 분배된 검출전압(VD)을 출력한다.
또한, 비교부(30)는 검출전압(VD)과 기준전압(VREF)을 차동입력으로 하는 차동증폭회로(30)로 구성된다. 차동증폭회로(30)는 외부전원전압 공급단(VEXT)과 차동입력부(32) 사이에 접속된 전류 미러링부(31)와, 차동입력부(32)와 접지전압단(VSS) 사이에 접속되며, 바이어스 신호(BIAS)에 응답하여 바이어스 전류를 공급하기 위한 바이어스용 NMOS 트랜지스터(MN2)로 구성된다.
또한, 구동부(40)는 외부전원전압 공급단(VEXT)과 워드라인 구동전압단(VPUMP) 사이에 접속되며 차동증폭회로(30)의 출력신호(VDIFF)의 제어를 받는 PMOS 트랜지스 터(MP2)와, 워드라인 구동전압단(VPUMP)과 접지전압단(VSS) 사이에 접속되며, 바이어스 신호(BIAS)의 제어를 받는 NMOS 트랜지스터(MN7)로 구성된다.
외부에서 공급되는 외부전원전압(VEXT)이 변동될 때, 상기 워드라인 구동전압 발생기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
우선, 외부전원전압(VEXT)이 정상상태 보다 상승할 경우에는 전압레벨 검출부(10)에서 출력되는 검출전압(VD)도 상승하게 되고, 이를 입력받는 차동입력부(32)의 제2 입력단(MN1)은 제1 입력단(MN0) 보다 상대적으로 많은 전류가 흐르게 되어서, 제2 연결단(N2)의 전위레벨은 하강하고, 제1 연결단(N1)의 전위레벨은 상승하게 된다. 제1 연결단(N1)에서 출력되는 출력신호(VDIFF)가 구동부(40)의 PMOS 트랜지스터(MP2)의 게이트로 인가되므로, 구동부(40)에 공급되는 외부전원전압(VEXT)이 상승하더라도 PMOS 트랜지스터(MN2)에 인가되는 게이트 전압이 높아지게 되므로 출력되는 워드라인 구동전압(VPUMP)은 정상상태보다 높아지지 않고 일정하게 유지된다.
또한, 외부전원전압(VEXT)이 정상상태 보다 하강할 경우에는 전압레벨 검출부(10)에서 출력되는 검출전압(VD)도 하강하게 되고, 이를 입력받는 차동입력부(32)의 제2 입력단(MN1)은 제1 입력단(MN0) 보다 상대적으로 적은 전류가 흐르게 되어서, 제2 연결단(N2)의 전위레벨은 상승하고, 제1 연결단(N1)의 전위레벨은 하강하게 된다. 제1 연결단(N1)에서 출력되는 출력신호(VDIFF)가 구동부(40)의 PMOS 트랜지 스터(MP2)의 게이트로 인가되므로, 구동부(40)에 공급되는 외부전원전압(VEXT)이 하강하더라도 PMOS 트랜지스터(MN2)에 인가되는 게이트 전압이 낮아지게 되므로 출력되는 워드라인 구동전압(VPUMP)은 정상상태보다 낮아지지 않고 일정하게 유지된다.
상술한 바와 같이 외부전원전압(VEXT)이 상승하거나 하강하는 등의 변동이 생기더라도 생성되는 워드라인 구동전압(VPUMP)은 일정하게 유지된다.
이상, 본 발명의 실시예에 따라 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기에 대한 구체적인 설명을 하였다. 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
예컨대, 본 실시예에서 전압레벨 검출부(10)는 4개의 로드용 트랜지스터(MN8~MN11)를 이용하여 분배된 검출전압(VD)을 생성하고, 비교부(30)에서 이를 기준전압(VREF)과 비교하게 된다. 이때, 최종 생성되는 워드라인 구동전압(VPUMP)은 기준전압(VREF)의 4배가 되도록 구성하였다. 하지만, 이러한 설계방식과 분배방법 및 분배비율은 적용되는 회로에 따라서 달라질 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 실시예로 설명한 워드라인 구동전압을 생성하는 것에만 한정되지 않으며, 반도체 소자 의 내부전압을 발생시키기 위한 모든 부분에 적용될 수 있다. 이러한 실시예와 회로의 변경은 너무 경우의 수가 많고, 이에 대한 변경은 통상의 전문가라면 누구나 쉽게 유추할 수 있기에 그에 대한 열거는 생략하기로 한다.
도 1은 종래의 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다.
도 2는 종래의 다른 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 워드라인 구동전압 발생기의 구성도이다.
도 4는 기준전압 생성부(20)의 실시예에 따른 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 워드라인 구동전압 발생기의 회로도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21 : 제1 전류 미러링부 22 : 제2 전류 미러링부
31 : 전류 미러링부 32 : 차동입력부

Claims (14)

  1. 외부로부터 공급되는 외부전원전압의 레벨에 대응하는 검출전압을 생성하기 위한 검출수단;
    상기 검출전압과 기준전압의 레벨을 비교하기 위한 비교수단; 및
    상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 내부전압단을 구동하기 위한 구동수단
    을 구비하는 반도체 소자의 내부전압 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출수단은 상기 외부전원전압을 분배하기 위한 로딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 내부전압 발생기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기준전압을 생성하기 위한 기준전압 생성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 내부전압 발생기.
  4. 외부로부터 공급되는 외부전원전압 -워드라인 구동전압보다 높은 레벨임- 의 레벨에 대응하는 검출전압을 생성하기 위한 검출수단;
    상기 검출전압과 기준전압의 레벨을 비교하기 위한 비교수단; 및
    상기 비교수단의 출력신호에 응답하여 워드라인 구동전압단을 구동하기 위한 구동수단
    을 구비하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 외부전원전압은 패드에서 전달되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 검출수단은 상기 외부전원전압을 분배하기 위한 로딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 로딩부는 다수의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 기준전압을 생성하기 위한 기준전압 생성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기준전압 생성수단은,
    전원전압단과 제1 및 2 연결단 사이에 접속되어 전류를 소싱하기 위한 제1 전류 미러링부와,
    접지전압단과 상기 제1 및 2 연결단 사이에 접속되어 전류를 싱킹하기 위한 제2 전류 미러링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 전류 미러링부는 상기 기준전압을 조절하기 위한 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 비교수단은 상기 검출전압과 상기 기준전압을 차동입력으로 하는 차동증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 차동증폭부는 상기 외부전원전압 공급단과 연결된 전류 미러링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 차동증폭부는 바이어스 신호에 응답하여 바이어스 전류를 공급하기 위한 바이어싱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 구동수단은,
    상기 외부전원전압 공급단과 상기 워드라인 구동전압단 사이에 접속되며, 상기 차동증폭부의 출력신호의 제어를 받는 PMOS 트랜지스터와,
    상기 워드라인 구동전압단과 접지전압단 사이에 접속되며, 상기 바이어스 신호의 제어를 받는 NMOS 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 워드라인 구동전압 발생기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140071081A (ko) * 2012-12-03 2014-06-11 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 장치

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