KR20090126977A - 펌핑전압 제어회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펌핑전압의 레벨이 안정되도록 제어 가능한 펌핑전압 제어회로에 관한 것이다. 본 발명은 펌핑전압인 백바이어스전압의 방전경로를 형성하고, VPP 전압과의 커플링 현상이나 오버 펌핑에 의해서 발생되는 백바이어스전압 레벨 불안정 해결한다. 따라서 본 발명은, 전압분배부, 펌핑전압 방전부의 제어전압을 결정하는 방전제어전압 제어부 그리고 펌핑전압 방전부를 구성하고, 펌핑전압이 목표레벨을 초과했을 때, 빠르고 안정적으로 방전을 제어한다.

펌핑전압, 방전, 백바이어스전압

Description

펌핑전압 제어회로{PUMPING VOLTAGE CONTROL CIRCUIT}

본 발명은 펌핑전압 제어회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펌핑전압의 레벨이 안정되도록 제어 가능한 펌핑전압 제어회로에 관한 것이다.

반도체 메모리 장치는, 외부전원전압을 이용하여 장치 내부에서 필요한 크기의 전원을 생성하여 사용하게 되는데, 그 중 하나의 방식이 차지 펌프를 이용하여 외부전원 전위보다 높거나 접지 전위보다 낮은 내부 전위를 생성하는 방식이다.

상기 차지 펌핑에 의해 생성된 내부 전원 중 반도체 메모리 소자인 디램에 가장 보편적으로 사용되고 있는 내부 전원으로는 펌핑전압(VPP)과 백바이어스 전압(VBB)이 있다. 상기 펌핑전압(VPP)은 셀을 엑세스하기 위해 셀 트랜지스터의 게이트, 워드라인에 외부 전원전압(VCC 또는 VDD)보다 높은 전위인 펌핑전압(VPP)을 인가하여 셀 데이타가 손실되지 않도록 하는데 이용되어진다. 그리고 셀에 저장되어 있는 데이타의 손실을 막기 위해 셀 트랜지스터의 벌크에 외부 전위인 접지전압(VSS) 보다 낮은 백바이어스 전압(VBB)을 인가한다.

도 1은 종래 펌핑전압 제어회로도를 도시하고 있다.

도시하고 있는 바와 같이, 종래 펌핑전압 제어회로는 백바이어스 전압(VBB)을 발생하는 회로로 구성되고 있다. 백바이어스 전압은 차지 펌핑 방싱에 의해 네거티브 바이어스(negative bias)를 생성하는데, VBB 레벨 감지기(10) 동작에 의해서 목표 레벨에 도달하지 못한 경우 펌핑부(VBB PUMP ; 20)에서의 백바이어스 펌핑 동작을 통해 백바이어스 레벨이 목표 레벨에 도달하도록 제어하고, 목표 레벨이 도달하면 백바이어스 펌핑 동작을 정지하여 목표 레벨을 유지하게 된다.

한편, 백바이어스 펌핑 동작이 과도하거나 백바이어스 레벨 감지기의 반응속도가 충분히 빠르지 못해서 백바이어스 레벨이 목표 레벨을 초과하여 더욱 낮아져버린 경우, 백바이어스 레벨이 목표 레벨로 회복해야만 한다. 만일 백바이어스 레벨이 목표레벨보다 더 낮아져버리면, 셀 트랜지스터의 문턱전압(vt)을 증가시키게 된다(이 경우 셀 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터이고, NMOS 트랜지스터의 경우 벌크 전압이 낮아질수록 문턱전압이 상승하는 효과를 갖는다). 따라서 셀 트랜지스터의 문턱전압의 상승으로, 정상적으로 동작 제어가 이루어지지 못하면서 셀 트랜지스터에 데이터 엑세스 타임 및 저항 증가로 기록 또는 재생 특성약화를 초래할 수 있다. 그리고 종래 펌핑전압 제어회로는, 목표 레벨보다 깊어져버린(더욱 낮아져버린) 백바이어스 레벨을 목표 레벨로 복원하기에는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 펌핑전압(VPP,VBB)는 모스 웰(MOS WELL) 구조에서 볼 때 PN 접합 캐패시턴스가 보이기 때문에, 기능 작용 중에 VPP 노이즈 또는 VPP 변동 발생으로 기인해서 백바이어스 전압과의 결합 현상(coupling effect)이 발생한다. 이러한 경우에도 종래 펌핑전압 제어회로는, 목표 레벨보다 깊어져버린 백바이어스 레벨을 목표 레벨로 복원하기에는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 펌핑전압의 레벨을 안정적으로 제어 가능한 펌핑전압 제어회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 펌핑전압의 차지 펌핑과정에서 과도한 펌핑시에 빠르게 펌핑전압의 레벨을 안정적으로 제어 가능한 펌핑전압 제어회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 커플링 현상에 의해 펌핑전압이 목표레벨보다 초과되면, 빠르게 펌핑전압의 레벨을 안정적으로 제어 가능한 펌핑전압 제어회로를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 펌핑전압 제어회로는, 제 1 펌핑전압과의 커플링 현상에 의해 제 2 펌핑전압이 목표레벨을 초과할 때, 제 1 펌핑전압의 변동량에 비례해서 상기 제 2 펌핑전압의 전류량을 방전시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 펌핑전압 제어회로는, 제 1 펌핑전압을 전압 분배하는 전압분배수단; 센스 앰프에 공급될 제 2 펌핑전압을 발생하는 제 2 펌핑전압 발생수단; 상기 제 2 펌핑전압 발생수단에서 발생된 제 2 펌핑전압의 방전경로를 구성하는 펌핑전압 방전수단; 상기 전압분배수단에서 분압된 전압을 이용해서 상기 펌핑전압 방전수단의 제어전압을 결정하는 방전제어전압 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 펌핑전압인 백바이어스전압의 방전경로를 형성하고, VPP 전압과의 커플링 현상이나 오버 펌핑에 의해서 발생되는 백바이어스전압 레벨 불안정 해결한다. 즉, 본 발명은 펌핑전압(VPP,VBB)는 모스 웰(MOS WELL) 구조에서 볼 때 PN 접합 캐패시턴스가 보이기 때문에, 기능 작용 중에 VPP 노이즈 또는 VPP 변동 발생으로 기인해서 백바이어스 전압과의 결합 현상(coupling effect)이 발생한다. 이러한 경우에도 본 발명의 펌핑전압 제어회로는, 새로이 구성된 방전경로를 통해서 목표 레벨보다 깊어져버린 백바이어스 레벨을 목표 레벨로 빠르게 복원하는 것이 가능하게 된다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 펌핑전압 제어회로에 대해서 자세하게 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑전압 제어회로도이다.

본 발명은 전압 분배부를 포함한다. 상기 전압 분배부는, 펌핑전압(VPP)과 접지 전원(VSS) 사이에 전압 분배용 저항들(R1~R4)을 다수개 연결하고 있다.

상기 전압분배부는, 펌핑전압(VPP)이 안정된(stable) 상태에 있을 경우, 저 항에 의해 분압된 일정 레벨의 전압이 A 노드, 즉 상기 PMOS 트랜지스터(P1)의 게이트전압으로 인가된다.

본 발명은 전압 분배부에서 분배된 전압을 이용하여 후술되는 펌핑전압 방전부의 제어전압(NMOS 트랜지스터의 문턱전압)을 결정하는 방전제어전압 제어부를 포함한다. 상기 방전제어전압 제어부는, 외부 전원(VDD)과 접지전원(VSS) 사이에 PMOS 트랜지스터(P1)와 NMOS 트랜지스터(N2)를 직렬 연결하고 있다. 상기 PMOS 트랜지스터(P1)의 게이트단은 앞서 언급한 바와 같이 분배된 전압을 입력할 수 있도록 연결되고, 소스단은 외부 전원(VDD)에 연결되고, 드레인단은 NMOS 트랜지스터(N2)의 드레인단에 연결되어진다. 상기 NMOS 트랜지스터(N2)의 소스단은 접지전원에 연결되고, 게이트단은 상기 드레인단에 연결되어진다.

따라서 방전제어전압 제어부는, B노드에 다이오드로 연결된 NMOS 트랜지스터(N2)에 의해 후술되는 펌핑전압 방전부를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N1)의 문턱전압 레벨 정도를 유지한다.

그리고 본 발명은 펌핑전압 방전부를 포함한다. 상기 펌핑전압 방전부는, NMOS 트랜지스터(N1)로 구성된다. 상기 NMOS 트랜지스터(N1)의 드레인단은 접지전원(VSS)에 연결되며, NMOS 트랜지스터(N1)의 소스단은 저항을 통해 상기 펌핑전압을 펌핑시키는 펌핑부(30)에 연결한다. 그리고 상기 PMOS 트랜지스터(P1)와 NMOS 트랜지스터(N2)의 드레인단을 공통 노드(B)로 연결하고, 상기 공통 노드(B)를 펌핑 전압(백바이어스전압)의 방전경로를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트단에 연결한다.

따라서 상기 펌핑전압 방전부를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N1)는, 드레인단이 접지전압(VSS)으로 연결되고, 소스단에 펌핑부(30)의 VBB 출력단에 연결되어, 상기 NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트 전압에 의해서 펌핑부(30)의 VBB 출력단과 접지전압 사이에 전류 통로를 형성한다.

그리고 본 발명은 도시하지는 않고 있지만 상기 펌핑부(30)의 펌핑동작을 제어하기 위한 펌핑전압 레벨 감지기를 포함한다. 상기 펌핑전압 레벨 감지기는, 발생되는 펌핑전압의 레벨이 목표레벨에 도달하지 못했을 때는 펌프부(30)에서 펌핑동작이 발생되도록 제어하고, 펌핑전압의 레벨이 목표레벨에 도달하면 펌프부(30)에서의 펌핑동작을 정지시킨다.

다음은 상기 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 펌핑전압 제어회로의 동작 과정에 대해서 설명한다.

본 발명에서 펌핑전압의 제어과정은 종래와 같이 이루어진다. 즉 도시하지 않고 있지만 펌핑전압 레벨 감지기에서 펌핑전압의 레벨을 감지하고, 펌프부(30)의 펌핑전압 펌핑동작을 제어한다. 즉, 펌핑전압 레벨 감지기는, 발생되는 펌핑전압의 레벨이 목표레벨에 도달하지 못했을 때는 펌프부(30)에서 펌핑동작이 발생되도록 제어하고, 펌핑전압의 레벨이 목표레벨에 도달하면 펌프부(30)에서의 펌핑동작 을 정지시킨다.

이러한 과정에서 펌핑전압(VPP) 레벨이 안정된 상태일 경우, 펌핑전압 방전부를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N1)의 게이트에는 NMOS 트랜지스터(N2)에 의해 조절된 문턱전압(vt) 레벨이 인가되면서 백바이어스전압(VBB)과 접지전원(VSS) 사이에 일정한 전류 통로가 형성되어진다. 이 경우에서도 상기 전류 통로의 전류량이 매우 크게 되면 백바이어스 전압(VBB)의 변동성이 매우 커질 수 있으므로 수십 마이크로 암페어(μA) 이하의 전류를 흘리도록 NMOS 트랜지스터(N1)의 크기를 설정해야만 한다.

한편, 백바이어스 펌핑 동작이 과도하거나 백바이어스 레벨 감지기의 반응속도가 충분히 빠르지 못해서 백바이어스 레벨이 목표 레벨을 초과하여 더욱 낮아져버린 경우, 백바이어스 레벨이 목표 레벨로 회복해야만 한다. 만일 백바이어스 레벨이 목표레벨보다 더 낮아져버리면, 셀 트랜지스터의 문턱전압(vt)을 증가시키게 된다(이 경우 셀 트랜지스터는 NMOS 트랜지스터이고, NMOS 트랜지스터의 경우 벌크 전압이 낮아질수록 문턱전압이 상승하는 효과를 갖는다). 따라서 셀 트랜지스터의 문턱전압의 상승으로, 정상적으로 동작 제어가 이루어지지 못하면서 셀 트랜지스터에 데이터 엑세스 타임 및 저항 증가로 기록 또는 재생 특성약화를 초래할 수 있다.

이때 상기 펌핑전압 방전부를 구성하는 NMOS 트랜지스터(N1)는, 백바이어스 전압(VBB)과 접지전원(VSS) 사이에 일정한 전류 통로를 형성하도록 제어한다. 따라서 상기 백바이어스 전압의 과도한 펌핑동작이나, 펌핑전압 감지기의 느린 응답속도로 인하여 백바이어스 전압 레벨이 목표레벨을 초과한 경우에도 상기 전류 통로를 통해서 백바이어스 전압 레벨이 목표레벨로 복원할 수 있다.

그리고 펌핑전압(VPP,VBB)은 모스 웰(MOS WELL) 구조에서 볼 때 PN 접합 캐패시턴스가 보이기 때문에, 기능 작용 중에 VPP 노이즈 또는 VPP 변동 발생으로 기인해서 백바이어스 전압과의 결합 현상(coupling effect)이 발생한다.

만일, 상기 펌핑전압(VPP)이 정상상태보다 높은 상태에서 전압 변동이 발생할 경우, 백바이어스전압(VBB)도 이에 연동되어 정상상태보다 높은상태에서 변동이 발생한다(백바이어스전압의 경우 음의 전압상태이므로, 여기서 높은 상태라는 것은 목표레벨에 아직 도달하지 못했다는 뜻이다).

상기와 같이 백바이어스 전압이 목표레벨에 도달하지 못한 경우에는 백바이어스전압의 펌핑동작을 제어하여 목표레벨로 도달하도록 제어할 수 있다.

반대로 상기 펌핑전압(VPP)이 정상상태보다 낮은 상태에서 전압 변동이 발생할 경우, 백바이어스전압(VBB)도 이에 연동되어 정상상태보다 낮은 상태에서 변동이 발생한다(백바이어스전압의 경우 음의 전압상태이므로, 여기서 낮은 상태라는 것은 목표레벨을 초과했다는 뜻이다).

상기와 같은 이유에 의해서 백바이어스 전압이 목표레벨보다 초과된 경우, 노드(A)의 레벨이 정상상태보다 낮아지게 된다. 이것은 펌핑전압(VPP)이 정상상태보다 낮은 상태이므로, 이를 분압한 전압이 인가되는 A 노드의 전압은 정상상태보다 낮게 된다.

상기 A 노드의 전압이 정상상태보다 낮게 되면, PMOS 트랜지스터(P1)의 턴 온 특성은 더욱 커지게 된다. 즉, 상기 PMOS 트랜지스터(P1)는 게이트 전압이 낮아질수록 턴 온 특성이 더욱 높아진다. 상기 PMOS 트랜지스터(P1)의 턴 온 특성이 커지면, B 노드의 전압은 높아진다.

상기 B 노드의 전압이 높아지면, 상기 B 노드의 전압을 게이트 전압으로 입력하는 NMOS 트랜지스터(N1)의 턴 온 특성도 같이 높아진다. 따라서 상기 NMOS 트랜지스터(N1)의 턴 온 특성이 커지면, VBB 출력단과 접지전원(VSS) 사이의 전류통로가 더욱 크게 열리면서 흐르는 전류량이 증가된다. 즉, 펌핑전압(VPP)의 변동폭에 비례하여 상기 펌핑전압 방전부의 방전 전류량은 비례하여 증가한다. 따라서 상기 VBB 출력단과 접지전원 사이의 전류통로를 상대적으로 크게 형성하여 VBB 전압 레벨을 목표레벨로 조절하는 역할을 한다.

따라서 본 발명은 VBB 펌핑부(30)와 접지전원 사이에 전류 통로를 형성하고 있다. 상기 전류 통로에 의해서 정상동작상태에서 VBB 레벨이 목표레벨을 초과하는 현상을 억제할 수 있다. 또한 VPP 전압과의 커플링 현상에 의해 백바이어스전압이 목표레벨을 초과한 경우에도 상기 VPP 전압 변동폭에 따라서 VBB 전압 레벨 변동이 비례하는 점을 이용해서 VPP 레벨 변동폭에 따라서 VBB 전압의 방전량을 제 어할 수 있다.

이상 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 백바이어스전압의 방전경로를 형성하고, VPP 전압과의 커플링 현상이나 오버 펌핑에 의해서 발생되는 백바이어스전압 레벨 불안정 해결을 제어하는 경우에 적용한다. 따라서 본 발명은 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서 또 다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 펌핑전압 제어회로도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌핑전압 제어회로도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 펌핑전압 감지부 20,30 : 펌핑전압 펌핑부

R1~R4 : 저항 P1 : PMOS 트랜지스터

N1,N2 : NMOS 트랜지스터

Claims (6)

1. 제 1 펌핑전압을 전압 분배하는 전압분배수단;

   센스 앰프에 공급될 제 2 펌핑전압을 발생하는 제 2 펌핑전압 발생수단;

   상기 제 2 펌핑전압 발생수단에서 발생된 제 2 펌핑전압의 방전경로를 구성하는 펌핑전압 방전수단;

   상기 전압분배수단에서 분압된 전압을 이용해서 상기 펌핑전압 방전수단의 제어전압을 결정하는 방전제어전압 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 펌핑전압 방전수단은, 제 2 펌핑전압이 목표레벨을 초과했을 때, 방전시키는 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 펌핑전압 방전수단은, 상기 제 2 펌핑전압 발생수단에서 발생되는 제 2 펌핑전압단과 접지전원 사이에 연결되어, 제 2 펌핑전압을 접지전원으로 방전시키는 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 펌핑전압 방전수단은, 상기 제 2 펌핑전압단과 접지전원 사이에 연결되는 스위칭소자인 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 방전제어전압 제어수단은, 상기 펌핑전압 방전수단의 문턱전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 방전제어전압 제어수단은, 외부 전원과 접지전원 사이에 다이오드 수단을 연결하고, 상기 펌핑전압 방전수단의 문턱전압 레벨을 유지하는 것을 특징으로 하는 펌핑전압 제어회로.

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