KR20100005306A - 반도체 장치의 벌크 전압 생성 회로 - Google Patents

반도체 장치의 벌크 전압 생성 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로는 온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호를 출력하는 온도 감지부와 온도에 상관없이 상기 온도 감지부가 상온일 경우와 동일한 전위를 갖는 기준 검출 신호를 출력하는 고정 전위부와 서로 다른 전위를 갖는 제 1 및 제 2 바이어스를 생성하는 제 1 및 제 2 바이어스 생성부와 상기 검출 신호 및 상기 기준 검출 신호를 비교하여, 이의 비교에 대응하여 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나의 바이어스를 선택하는 바이어스 선택부와 상기 바이어스를 입력으로 하여 벌크 전압 레벨을 센싱하고, 펌핑 동작을 수행하여 벌크 바이어스를 생성하는 벌크전압 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반도체 장치의 벌크 전압 생성 회로{CIRCUIT FOR GENERATING BULK VOLTAGE IN SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치의 벌크 전압(VBB) 생성 회로에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벌크 전압의 레벨을 변화시킴으로써, 온도 변화에 따른 문턱 전압(Vt)을 보상하는 벌크 전압 생성 회로에 관한 것이다.
일반적으로, 벌크 전압(이하, VBB라 칭함)은 셀 트랜지스터에 대한 바디 이펙트(body effect) 효과에 의해 문턱전압의 변화를 감소시켜 안정성을 높이고 채널 누설 전류(channel leakage current)를 감소시키기 위해 사용한다.
즉, 벌크 전압은 음전위로서 셀 트랜지스터에 저장되어 있는 데이터의 손실을 막기 위해서 셀 트랜지스터의 벌크에 외부접지전압(VSS)보다 낮은 전위를 갖는다. 이러한 벌크 전압은 코어(core) 회로부의 메모리 셀 및 센스앰프(sense amplifier)의 기판 전원으로 주로 사용된다.
DRAM에서 벌크 전압은 다음의 순서에 의하여 생성된다.
DRAM에 외부 전원이 인가되고 이 전위가 DRAM 내부에 전달되어 DRAM을 동작시킬 수 있을 정도의 일정 전위가 되면 파워 업 신호를 생성한다. 파워 업 신호는 DRAM 내부의 모든 플로팅 노드를 초기화시키는데 사용된다.
파워 업 신호에 의하여 DRAM은 차지 펌핑(charge pumping)과 다운 컨버팅(down converting)을 통해 내부전원을 만들고, 접지 전압보다 낮은 레벨의 벌크 전압(VBB)이 생성된다.
한편, 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)은 온도에 비례하는 특성이 있다. 즉, 문턱 전압은 트랜지스터의 온도가 낮으면, 상온시의 문턱 전압(Vt) 보다 상승하고, 반대로, 트랜지스터의 온도가 올라가면, 상온시의 문턱 전압(Vt) 보다 낮아지는 특성이 있다.
다시 말해서, 반도체 메모리 소자는 온도가 감소하면 셀 트랜지스터의 드레인-소스간 접촉(contact) 저항이 증가함에 따라 셀 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)이 증가하는 현상이 발생한다. 이에 따라, 셀 트랜지스터의 문턱 전압(Vt) 및 코어회로를 구성하는 NMOS 트랜지스터의 문턱 전압(Vt)의 전위 레벨이 상승하여 동작 시점이 느려지고, 동작 전류가 감소하여 속도가 저하되는 현상을 일으킨다.
종래 기술에 따른 벌크 전압 생성 회로로부터 생성된 벌크 전압(VBB)은 온도의 변동에 따라 전위 레벨이 변동하지 않는다.
따라서, 온도 변동에 대해 문턱 전압(Vt)이 변동하는 것을 종래 기술에 따른 벌크 전압 생성 회로로는 보상할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명은 반도체 장치에서 온도의 변동에 대해 전위 레벨이 변동하는 벌크 전압(VBB)을 생성하는 벌크 전압 생성 회로를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로는 온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호를 출력하는 온도 감지부; 온도에 상관없이 상기 온도 감지부가 상온일 경우와 동일한 전위를 갖는 기준 검출 신호를 출력하는 고정 전위부; 서로 다른 전위를 갖는 제 1 및 제 2 바이어스를 생성하는 제 1 및 제 2 바이어스 생성부; 상기 검출 신호 및 상기 기준 검출 신호를 비교하여, 이의 비교에 대응하여 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나의 바이어스를 선택하는 바이어스 선택부; 상기 바이어스를 입력으로 하여 벌크 전압 레벨을 센싱하고, 펌핑 동작을 수행하여 벌크 바이어스를 생성하는 벌크전압 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이중, 상기 온도 감지부는 온도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 MOS 트랜지스터를 포함함이 바람직하다.
또한, 상기 비교 회로부는 상기 온도 감지부의 상기 검출 신호와 상기 고정 전위부의 기준 검출 신호차를 차동 증폭하여 상기 선택 신호를 생성함이 바람직하다.
그리고, 상기 바이어스 선택부는 상기 선택 신호를 입력으로 하는 인버터, 두 개의 트랜스미션 게이트로 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 바이어스는 고온시에 상기 벌크전압의 레벨을 낮추는 바이어스 전압임이 바람직하다.
그리고, 상기 제 2 바이어스는 저온시에 상기 벌크 전압의 레벨을 높이는 바이어스 전압임이 바람직하다.
본 발명의 반도체 장치의 온도 감응형 바이어스 생성 회로는 외부 전위를 입력으로 하여 서로 다른 전위의 제 1 및 제 2 바이어스를 생성하는 제 1 및 제 2 바이어스 생성부; 및 온도에 따라 변화에 비례하는 트랜지스터의 출력 전위를 소정의 온도에 대응하는 상기 트랜지스터의 일정한 출력 전위와 비교하여, 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나를 선택하는 바이어스 출력부;를 포함함을 특징으로 한다.
이중, 상기 바이어스 출력부는 온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호와 온도에 상관없이 온도가 상온일 때의 전위를 고정으로 갖는 기준 검출 신호를 비교하는 비교 회로부; 및 상기 비교 회로부의 출력 신호에 따라 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나를 선택하는 바이어스 선택부;를 포함함이 바람직하다.
그리고, 상기 제 1 바이어스는 고온시에 상기 벌크전압의 레벨을 낮추는 바이어스 전압임이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 바이어스는 저온시에 상기 벌크전압의 레벨을 높이는 바이어스 전압임이 바람직하다.
그리고, 상기 트랜지스터는 온도에 따라 흐르는 전류량이 가변됨이 바람직하다.
본 발명은 온도의 변동에 따라 벌크 전압(VBB)의 전위를 조절함으로써, 벌크 전압(VBB)을 공급받는 트랜지스터의 온도 변화에 따른 문턱 전압 변화를 보상할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 벌크 전압 생성 회로의 블록도로서, 도 1의 구성이 실시될 수 있으며, 벌크 전압 생성 회로는 온도 감응형 바이어스 생성부(100), 벌크 전압 감지부(200), 벌크 전압 제어부(300), 벌크 전압 오실레이터부(400) 및 벌크 전압 펌핑부(500)를 포함한다.
온도 감응형 바이어스 생성부(100)는 기준 전압(VREF)을 입력받아 벌크 전압 감지부(200)의 PMOS 트랜지스터 및 NMOS 트랜지스터를 턴온시키는 바이어스 VSP,VSN를 생성한다. 이때, 바이어스 생성부(100)는 온도의 변화에 따라 변동하는 턴온전압(Vt)을 보상하기 위하여 온도 변화에 따라 벌크 전압(VBB)의 전위를 조절하기 위하여 레벨이 가변되는 바이어스 VSP,VSN를 생성한다.
벌크 전압 감지부(200)는 벌크 전압 펌핑부(500)에서 피드백되는 벌크 전압(FB_VBB)을 입력받고, VSP, VSN으로써 벌크 전압(VBB)의 레벨을 감지하여 감지신호 DETA로 출력한다.
벌크 전압 제어부(300)는 벌크 전압 감지부(200)에서 감지된 벌크 전압(VBB) 의 레벨에 대응하는 감지신호 DETA에 대응하여 벌크 전압 오실레이터(400)의 구동을 제어하는 인에이블 신호 VBOSCSW를 생성한다.
벌크 전압 오실레이터부(400)는 인에이블 신호 VBOSCSW에 응답하여 벌크 전압 펌핑부(500)의 펌핑 동작을 제어하는 오실레이터 신호 VBOSC를 생성한다.
벌크 전압 펌핑부(500)는 오실레이터 신호 VBOSC에 응답하여 벌크 전압(VBB)을 펌핑하여 출력한다.
구체적으로, 온도 감응형 바이어스 생성부(100)는 온도감지부(110), 고정전위부(120), 비교회로부(130), 제 1 바이어스 생성부(140), 제 2 바이어스 생성부(150) 및 바이어스 선택부(160)를 포함한다.
온도 감지부(110)는 온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호 DET를 출력하고, 고정 전위부(120)는 온도 변화에 상관없이 상온에서 기준이 되는 일정한 전위의 기준 검출 신호 DET_REF를 출력한다.
즉, 고정 전위부(120)는 온도 감지부(110)가 상온일 때의 전위의 검출 신호 DET1와 동일한 값으로 셋팅되도록 기준 검출 신호 DET_REF를 출력한다.
비교 회로부(130)는 온도 감지부(110)에서 출력되는 검출 신호 DET와 고정 전위부(120)에서 출력되는 기준 검출 신호 DET_REF를 비교하여 두 신호의 레벨 관계에 대응하는 선택 신호 SEL를 발생한다.
제 1 바이어스 생성부(140)는 기준 전원 VREF을 입력으로 하여 제 1 바이어스(VSP1,VSN1)를 생성하고, 제 2 바이어스 생성부(150)는 상기 기준 전원 VREF을 입력으로 하여 제 2 바이어스(VSP2,VSN2)를 생성한다. 여기서, 제 1 바이어 스(VSP1,VSN1) 및 제 2 바이어스(VSP2,VSN2)는 레벨이 서로 다르다.
바이어스 선택부(160)는 선택 신호 SEL에 대응하여 제 1 바이어스(VSP1,VSN1) 또는 제 2 바이어스(VSP2,VSN2) 중 어느 하나를 선택하여 바이어스 신호(VSP,VSN)로 출력한다. 여기서, 선택 신호 SEL에 의해 고온시에는 제 1 바이어스(VSP1,VSN1)가 선택되고, 저온시에는 제 2 바이어스(VSP2,VSN2)가 선택될 수 있다.
그리고, 제 1 바이어스(VSP1,VSN1)는 고온시에 벌크전압(VBB)의 레벨을 높게, 제 2 바이어스(VSP2,VSN2)는 저온시에 벌크전압(VBB)의 레벨을 낮게 하도록 벌크전압 감지부(200)의 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(미도시)를 턴온시키는 바이어스 전압이다.
이와 같이, 본 발명의 벌크 전압 생성 회로는 온도에 따라 전위가 다른 바이어스(VSP,VSN)를 생성함으로써, 고온시에는 벌크 전압(VBB)의 전위를 높게 조절하여, 정상보다 전위가 떨어진 트랜지스터의 문턱전압(Vt)을 보상하고, 저온시에는 벌크 전압(VBB)의 전위를 낮게 조절하여, 정상보다 전위가 상승된 트랜지스터의 문턱전압(Vt)을 보상할 수 있다.
본 발명의 벌크 전압 생성 회로 중 온도 감지부(110), 고정 전위부(120) 및 비교 회로부(130)가 상세하게 도시된 도 3을 참조하여, 선택 신호 SEL가 생성되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
온도 감지부(110)는 전원전압(VDD)을 디바이드하는 저항소자들(111,112), 온도에 따라 흐르는 차지(charge)가 변동되는 NMOS 트랜지스터(NM1) 및 전원전 압(VDD)과 NMOS 트랜지스터(NM1) 사이에 연결되는 저항(113)을 포함하고, NMOS 트랜지스터(NM1)는 저항소자들(111,112)에 의해 디바이드된 바이어스에 의해 턴온된다.
온도 감지부(110)의 동작은 저항소자들(111,112)의 저항값 비에 대응하여NMOS 트랜지스터(NM1)가 서브 쓰레솔드(Subthreshold) 영역에서 동작하도록 설정한다.
보통, 트랜지스터는 서브 쓰레솔드 영역에서 동작하게 되면 온도에 따라 전류 특성이 지수 함수적으로 변하게 되기 때문에 본 발명에서는 이러한 특성을 갖는 NMOS 트랜지스터(NM1)를 온도 감지 장치로 이용할 수 있다.
고온일 때, NMOS 트랜지스터(NM1)를 통하여 전류가 상온일 때보다 상대적으로 많이 흐르기 때문에 차지(charge)의 소모가 크므로 검출 신호 DET의 전위가 낮아진다.
반대로, 저온일 때는 NMOS 트랜지스터(NM1)를 통하여 전류가 상온일 때보다 상대적으로 적게 흐르기 때문에 검출 신호 DET에 걸리는 전위가 높아진다.
고정 전위부(120)는 전원전압(VDD)과 접지전압(VSS) 사이에 직렬 연결된 저항소자들(121,122,123,124)로 구성될 수 있고, 고정 전위부(120)는 기준 검출 신호 DET_REF가 온도 감지부(110)가 상온일 때의 전위에 대응하는 검출신호 DET와 동일하도록 저항소자들(121,122,123,124)의 저항값이 설정된다.
비교 회로부(130)는 차동 타입(Differential Type)의 비교기로 구성할 수 있고, 검출 신호 DET의 전위와 기준 검출 신호 DET_REF의 전위를 비교하여 선택 신호 SEL를 출력한다.
예를 들어, 고온일 경우에는 검출 신호 DET의 전위보다 기준 검출 신호 DET_REF의 전위가 높아 선택 신호 SEL는 하이 레벨로 출력되고, 저온일 경우에는 검출 신호 DET의 전위가 기준 검출 신호 DET_REF의 전위보다 높아 선택 신호 SEL는 로우 레벨로 출력된다.
도 4에 도시된 바이어스 선택부(160)는 선택 신호 SEL를 수신하는 인버터(161), 선택 신호 SEL 및 인버터(161)를 통과한 반전된 선택 신호를 입력으로 하여 제 1 바이어스(VSP1) 또는 제 2 바이어스(VSP2)를 출력하는 트랜스미션 게이트들(162,163)로 구성된다.
바이어스 선택부(160)는 고온시에는 선택 신호 SEL가 하이 레벨이 됨에 따라 제 1 바이어스(VSP1)를 선택하고, 저온시에는 선택 신호 SEL가 로우 레벨이 됨에 따라 제 2 바이어스(VSP2)를 선택한다.
마찬가지로, 도 5에 도시된 바이어스 선택부는 선택 신호 SEL를 수신하는 인버터(164), 선택 신호 SEL 및 인버터(164)를 통과한 반전된 선택 신호를 입력으로 하여 제 1 바이어스(VSN1) 또는 제 2 바이어스(VSN2)를 출력하는 트랜스미션 게이트(165,166)로 구성된다.
제 1 바이어스(VSP1,VSN1)는 벌크전압 감지부(200)에 구비되어 고온시에 벌크전압(VBB)의 레벨을 낮추는 제 1 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(미도시)를 턴온시키는 바이어스 전압이고, 벌크전압 감지부(200)에 구비되어 저온시에 벌크전압(VBB)의 레벨을 높이는 제 2 PMOS 및 NMOS 트랜지스터(미도시)를 턴온시키는 바이어스 전압 이다.
이와 같은 방법으로, 본 발명의 벌크 전압 생성 회로는 고온시에는 벌크 전압(VBB)의 레벨을 높게 조절하고, 저온시에는 벌크 전압(VBB)의 레벨을 낮게 조절함으로써, 온도 변화에 따른 트랜지스터 문턱전압(Vt)의 변화에 따른 동작 특성의 열화를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 벌크 전압 생성 회로부.
도 2는 본 발명의 온도 감응형 바이어스 생성 회로도.
도 3은 본 발명의 온도 감지부 및 비교 회로부의 상세 회로도.
도 4는 본 발명의 바이어스 선택부의 상세 회로도.

Claims (11)

  1. 온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호를 출력하는 온도 감지부;
    온도에 상관없이 상기 온도 감지부가 상온일 경우와 동일한 전위를 갖는 기준 검출 신호를 출력하는 고정 전위부;
    서로 다른 전위를 갖는 제 1 및 제 2 바이어스를 생성하는 제 1 및 제 2 바이어스 생성부;
    상기 검출 신호 및 상기 기준 검출 신호를 비교하여, 이의 비교에 대응하여 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나의 바이어스를 선택하는 바이어스 선택부;
    상기 바이어스를 입력으로 하여 벌크 전압 레벨을 센싱하고, 펌핑 동작을 수행하여 벌크 바이어스를 생성하는 벌크전압 생성부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 감지부는
    온도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 MOS 트랜지스터를 포함하는 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비교 회로부는
    상기 온도 감지부의 상기 검출 신호와 상기 고정 전위부의 기준 검출 신호차를 차동 증폭하여 상기 선택 신호를 생성하는 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이어스 선택부는
    상기 선택 신호를 입력으로 하는 인버터, 두 개의 트랜스미션 게이트로 구성되는 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 바이어스는
    고온시에 상기 벌크전압의 레벨을 낮추는 바이어스 전압인 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 바이어스는
    저온시에 상기 벌크 전압의 레벨을 높이는 바이어스 전압인 반도체 메모리 장치의 벌크 전압 생성 회로.
  7. 기준전원을 입력으로 하여 서로 다른 전위의 제 1 및 제 2 바이어스를 생성하는 제 1 및 제 2 바이어스 생성부; 및
    온도에 따라 변화에 비례하는 트랜지스터의 출력 전위를 소정의 온도에 대응하는 상기 트랜지스터의 일정한 출력 전위와 비교하여, 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나를 선택하는 바이어스 출력부;
    를 포함함을 특징으로 하는 반도체 장치의 온도 감응형 바이어스 생성 회로.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 바이어스 출력부는
    온도를 감지하여 상기 온도에 대응되는 전위를 갖는 검출 신호와 온도에 상관없이 온도가 상온일 때의 전위를 고정으로 갖는 기준 검출 신호를 비교하는 비교 회로부; 및
    상기 비교 회로부의 출력 신호에 따라 상기 제 1 및 제 2 바이어스 중 어느 하나를 선택하는 바이어스 선택부;
    를 포함하는 반도체 장치의 온도 감응형 바이어스 생성 회로.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 바이어스는
    고온시에 상기 벌크전압의 레벨을 낮추는 바이어스 전압인 반도체 장치의 온도 감응형 바이어스 생성 회로.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 바이어스는
    저온시에 상기 벌크전압의 레벨을 높이는 바이어스 전압인 반도체 장치의 온도 감응 제어 회로.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 트랜지스터는
    온도에 따라 흐르는 전류량이 가변되는 반도체 장치의 온도 감응 제어 회로.
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CN111292776A (zh) * 2018-12-06 2020-06-16 爱思开海力士有限公司 假性低温半导体器件以及假性低温半导体层叠体
CN111292776B (zh) * 2018-12-06 2024-02-06 爱思开海力士有限公司 假性低温半导体器件以及假性低温半导体层叠体

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