TW541679B - Internal power voltage generating circuit of semiconductor device - Google Patents

Description

541679 Α7 Β7 五、發明説明（i 對相關申請案之交互參考資料： (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本申請案係有關2 0 0 1年4月1 0日所申請之日本 申請案第2001-111818號案，本案在 3 5 U S C § 1 1 9下主張其優先權，其整個揭示被ί幷入 本案做爲參考資料。 本發明之背景： 本發明之領域： 本發明係關於一種半導體裝置之內部電源電壓產生電 相關技術之說明： 圖4係顯示一般半導體裝置之功能的功能性方塊圖。 除了負責原先功能之功能性電路1 1 (例如邏輯電路 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、記憶體電路、控制電路等等）以外，半導體裝置還設置 有一保護電路1 2及一輸入-輸出電路1 3 ’例如資料或 位址之訊號S經由保護電路1 2及輸入-輸出電路1 3而 被輸入至功能性電路1 1 ，或者經由保護電路1 2及輸入 -輸出電路1 3而從功能性電路1 1輸出。 電源Ρ從一外部電源供應器而被供應至這些保護電路 1 2、輸入一輸出電路1 3、及功能性電路1 1 ，通常， 一電壓設定事先被供應至功能性電路1 1。 半導體裝置一般被設計而允許有邊緣限度，以便當製 造該裝置時，能夠滿足其相對於製程變動的規格，但是， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨〇><297公釐） -4 - 541679 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（i 當已經提高小型化時，難以設計具有所允許之邊緣限度的 裝置。此外，裝置愈小型化，各組件相對於製程變動之特 性變動的程度愈大，因此，允許此大的特性變動之設計變 得困難。於是，未滿足此規格之半導體晶片或晶圓已經被 製造，藉以增加降低良率的可能性。 已經知道在日本未審查專利申請案第H e i 6( 1994)一326588號案中所揭示之半導體裝置是 防止相對於製程變動之良率變差的半導體裝置，此半導體 裝置將一對應於製程變動之最佳操作電壓供應給每一個半 導體晶片，使得各半導體晶片能夠在幾乎是最佳狀況下被 使用。藉由此結構，裝置之目的爲引出各半導體晶片的最 大性能。 圖5係顯示產生此半導體裝置之內部電源電壓之電路 的圖形，用以產生內部電源電壓之電路包含一參考電位產 生電路1 4及一定電壓電路1 5。 參考電位產生電路1 4包含一電阻器R、多個二極體 D及多個和一部分二極體D並聯連接之熔斷器F，參考電 位產生電路1 4經由電阻器R及二極體D而將外部電源供 應電壓Vc c分壓，藉以產生一參考電壓Vr e f。 定電壓電路1 5包含一電流鏡電路及一源極隨耦器電 路，定電壓電路1 5輸出具有和參考電壓V r e f相同電 位的內部電源電壓V i n t。 斷開一部分熔斷器F在用以產生內部電源電壓之電路 中產生一所想要的內部電源電壓，當一矽二極體被用作二 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 • *- -- Βϋ.— Iril - n -ij— _ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5- 541679 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 極體D時，舉例來說，電流開始以每一個二極體約〇 , 6 V之順向偏壓流動，使得參考電壓V r e f變成爲一藉由 將約0 · 6 V乘以二極體的數目所獲得之値。藉由利用這 樣，熔斷器F被斷開，以便改變二極體D的數目，藉以改 變參考電壓Vr e f的値。 但是，僅藉由上述電壓產生電路中之二極體D及電阻 器R的値來決定參考電壓Vr e f ，藉此，其僅採用一由 二極體D之順向偏壓（約〇 . 6 V之電壓値）所決定的分 離數目。當一矽二極體被如上所述地使用時，舉例來說， 其僅採用一和0 · 6 V —樣大的數値積分次數。 此外，選擇最佳的內部電源電壓V i n t需要熔斷器 F的斷開程序，導致由於製造程序之數目的增加而惹起增 加製造成本以及加長回復時間（T A T )的問題。 本發明之槪述： 本發明已經根據上述問題而被做成，並且此發明之目 的在於提供一種半導體裝置之內部電源電壓產生電路，其 能夠供應一適當的內部電源電壓，用以引出半導體裝置的 最大性能，但沒有增加熔斷器的斷開程序，甚至當製程變 動發生時。 本發明提供一種半導體裝置之內部電源電壓產生電路 ，其包括一分壓電路，此分壓電路係由一單一場效電晶體 及多個電阻器所構成而被結合入一半導體晶片中，其中， 此分壓電路藉由單一場效電晶體之導通或非導通而將外部 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 、11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐） -6 - 541679 A7 B7

五、發明説明（J 供應之電源電壓分割成兩種電壓，所分割之電壓當作內部 電源電壓而被供應至結合入半導體晶片中的多個場效電晶 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) a® 體。 依據本發明，一外部分割之電壓在一分壓電路處藉由 分壓電路中所包含之單一場效電晶體的導通或非導通而被 分割成兩種電壓，所分割之電壓當作內部電源電壓而被供 應至結合入半導體晶片中的多個場效電晶體。此結構導致 依據單一場效電晶體之臨界電壓値來改變內部電源電壓的 値，而此臨界電壓値已經由於在半導體晶片中的製造期間 之製程變動而改變。 附圖之簡略說明： 圖1係應用本發明之內部電源電壓產生電路之半導體 裝置的功能性方塊圖； 圖2係顯示依據本發明之實施例1之內部電源電壓產 生電路構造的電路圖； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖3係顯示依據本發明之實施例2之內部電源電壓產 生電路構造的電路圖； 圖4係習知之一般半導體裝置的功能性方塊圖；以及 圖5係習知半導體裝置中之產生內部電源電壓的電路 圖。 元件對照表 1 :內部電源電壓產生電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 541679 A7 B7 五、發明説明（g 2，14:參考電位產生電路 3 :自動電壓調整電路 1 1 :功能性電路 1 2 :保護電路 1 3 :輸入一輸出電路 1 5 :定電壓電路 較佳實施例之詳細說明： 依據本發明之半導體裝置的內部電源電壓產生電路包 括一分壓電路，根據單一場效電晶體之導通狀態（亦即， 導通或非導通）來改變在分壓電路所分割之電壓的値，這 是因爲分壓電路係由單一場效電晶體及電阻器所構成之故 。根據單一場效電晶體之臨界電壓値是否大於或小於施力口 至單一場效電晶體之閘極電極的固定電壓，藉由利用單一 場效電晶體之導通狀態的轉換來獲得到所分割之電壓上的 改變。 在被結合入半導體晶片中之場效電晶體的臨界電壓値 由於當製造半導體晶片時之製程變動而掉落下來的情況中 ，在等候狀態時之功率耗損通常會增加，使得不能滿足所 想要的規格。爲了防止這樣，使供應至被結合入半導體晶 片中之場效電晶體的內部電源電壓增加一點係有效的。 在本發明中，當被結合入半導體晶片中之場效電晶體 的臨界電壓，亦即，在分壓電路中之場效電晶體的臨界電 壓’係高於施加至場效電晶體之閘極電極的固定電壓時， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝-

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -8- 541679 A7 B7 五、發明説明（d 場效電晶體係處於非導通狀態，藉此，從分壓電路中輸出 一對應於此非導通狀態之電路常數的電壓。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一方面，當分壓電路中之場效電晶體的臨界電壓變 得比施加至場效電晶體之閘極電極的固定電壓還低時，場 效電晶體係處於導通狀態，藉以切換分壓電路的固定電路 ，藉此，從分壓電路中輸出一對應於此導通狀態之電路常 數的電壓。 如上所述，當場效電晶體之臨界電壓掉落下來時，分 壓電路之電路常數被改變，藉以降低供應至被結合入半導 體晶片中之場效電晶體的內部電源電壓。 因此，本發明能夠依據每一個半導體晶片之製程變動 來供應最佳的內部電源電壓，但沒有在設置於半導體裝置 中之內部電源電壓產生電路中添加熔斷器的斷開程序，藉 此，各半導體晶片能夠在幾乎是最佳狀況下被使用。 下面將參照圖1到圖3來解釋本發明之較佳實施例， 但本發明並非僅限定於此等較佳實施例，並且各種修正能 夠被應用於此等較佳實施例。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖1係應用本發明之內部電源電壓產生電路之半導體 裝置的功能性方塊圖。 半導體裝置設置有一負責原先功能之功能性電路1 1 (例如邏輯電路、記憶體電路、控制電路等等）、一保護 電路1 2、一輸入一輸出電路1 3、及一內部電源電壓產 生電路1 ，例如資料或位址之訊號S經由保護電路1 2及 輸入-輸出電路1 3而被輸入至功能性電路1 1 ，或者經 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -9 - 541679 A7 B7 五、發明説明（ii 由保護電路1 2及輸入-輸出電路1 3而從功能性電路 1 1輸出。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電源P從一外部電源供應器而被供應至保護電路1 2 、輸入-輸出電路1 3、及內部電源電壓產生電路，功會g 性電路1 1的電源係供應自內部電源電壓產生電路1 ，從 內部電源電壓產生電路1所產生之內部電源電壓依據當製 造半導體晶片時之製程變動而被自動設定於一最佳電壓。 明確地說，敘述於後之F E T (場效電晶體）的開啓 -關閉特性被利用，以便在已經被事先設定之多個內部電 源電壓中選擇一所想要的內部電源電壓，並且產生所選擇 的一個被供應至功能性電路1 1之內部電源電壓。 下面將解釋內部電源電壓產生電路1的兩個實施例。 實施例1 圖2係顯示依據本發明實施例1之內部電源電壓產生 電路構造的電路圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此實施例之內部電源電壓產生電路包含一參考電位產 生電路2、一自動電壓調整電路3、及定電壓電路1 5。 定電壓電路1 5 ，就像圖15中所示之定電壓電路，其包 含電流鏡電路及源極隨耦器電路，輸出具有和參考電壓 V r e f相同電位的內部電源電壓V i n t。 參考電位產生電路2具有一電阻器R 4及一二極體 D 1 ，參考電位產生電路2經由電阻器R4及二極體D 1 來分壓外部電源供應電壓V c c，以產生一決定電位 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐）~ 541679 A7 B7 五、發明説明（妗 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) v C r i 。所使用之二極體D 1是一個致使順向電流開始 以約0 . 6 V之偏壓流動的二極體，其決定電位V c r i 爲約〇.6 V。 自動電壓調整電路3具有電阻器R1、R2及R3以 及一電晶體T r 1 ，其具有一電路結構，使得包括電阻器 R 1之第一電路被串聯連接至第二電路，而第二電路包括 一具有電阻器R 2及電晶體T r 1以及電阻器R 3之串聯 電路，此串聯電路係和電阻器R 3並聯連接。 N - Μ 0 S F Ε Τ被用作電晶體T r 1 ，此Ν — Μ〇S F Ε Τ被倂入此半導體裝置之半導體晶片，並且 因爲基板、汲極、閘極等等使用和在功能性電路1 1中之 Ν - Μ 0 S F Ε Τ相同的裝置，所以具有和功能性電路 1 1中之Ν — Μ〇S F Ε Τ相同的特性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 自動電壓調整電路3經由電阻器R 1、R 2及R 3以 及一電晶體T r 1來分壓外部電源供應電壓V c c ，藉以 產生參考電壓V r e f。在此自動電壓調整電路3中，電 晶體T r 1被串聯連接至電阻器R 2，用以控制電晶體 T r 1之導通狀態的決定電位V c r i被施加於電晶體 T r 1的閘極電極，根據電晶體τ r 1是否被導通，在事 先被設定之兩種類型的參考電壓V r e f中選擇所想要的 一種參考電壓V r e f ，而後，產生所想要的一種參考電 壓 V r e f。 當電晶體的臨界電壓由於當製造時之製程變動而掉落 下來時，下面的問題發生，明確地說，假設在設計階段已 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -11 - 541679 A7 B7 五、發明説明（9 經被設定爲0 _ 6 V之臨界電壓’舉例來說’由於製程變 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 動而變得低於〇 _ 6 V。在此情況中’當裝置被正常使用 而沒有降低供應至功能性電路1 1的內部電源電壓時’在 等候狀態時之功率耗損增加’以使不滿足半導體晶片的規 格。另一方面，已經發現降低供應至功能性電路1 1的內 部電源電壓能夠減少在等候狀態時之功率耗損，藉以獲得 半導體晶片的最大性能及規格。 因此，在功能性電路1 1中之電晶體的臨界電壓掉落 下來的情況中，內部電源電壓被控制而降低’結果，功會巨 性電路1 1中之電晶體能夠在幾乎是最佳狀況下被使用， 連同流動於等候狀態時之電流被控制而減少。 現在將顯示一特定例。舉例來說，〇 . 6 V之電壓當 作決定電位V c r i而被施加於自動電壓調整電路3中之 電晶體T r 1的閘極電極。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此時’假設電晶體T r 1的臨界電壓（也就是功能性 電路1 1中之電晶體的臨界電壓）由於當製造半導體晶片 時之製程變動而在設計階段時從〇 · 6 V改變，臨界電壓 之値通常改變於0 . 6 +/ - 0 _ 2 V的範圍中，亦即， 在約0 . 4到0 . 8 V的範圍中。 根據臨界電壓的改變，電晶體T r 1的導通或非導通 被決定如下。當0 · 6 V之電壓被施加做爲決定電位 Vcr i時，0 . 6V或0 . 6V以上之電晶體Tr 1的 臨界電壓顯示電晶體T r 1係非導通的。另一方面，如果 電晶體T r 1的臨界電壓低於0 · 6 V，則電晶體τ r 1 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12- 541679 A7 B7 五、發明説明（1)0 係導通的。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 包括電阻器R 1 ' R 2及R 3之組合電阻値也對應於 丁 r 1的導通或非導通而改變，這依據下面兩個等式來改 變參考電壓V r e f ，使得在電晶體之臨界電壓係低的情 況中，內部電源電壓V i n t能夠被降低。 明確地說，如上所述，在決定電位V c r i爲〇 . 6 V的情況中，如果電晶體τ r 1的臨界電壓爲0 · 6 V或 〇 · 6 V以上，則電晶體τ r 1係非導通的。此時，能夠 以下面的等式來表示參考電壓V r e f。 在電晶體T r 1係非導通的情況中：

Vre f=VccxR3/(Rl+R2) 當例如 Vc c = 5V，Rl = l〇 歐姆，= 100歐姆，且R3=50〇〇歐姆時，參考電壓 V r e f 爲 4 · 9 9 V。 依據此等式，如果外部電源電壓V c c係在2 _ 5到 5 V的範圍中，則參考電壓v !· e f能夠藉由設定電阻器 R1爲1 0— 1 00歐姆、電阻器R2爲1 〇歐姆—1仟 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 歐姆、及電阻器R 3爲1 - 1 0仟歐姆而被設定爲約 2 . 3 到 4 . 9 V。 另一方面，如果電晶體T r 1的臨界電壓低於〇 · 6 V，則電晶體T r 1係導通的。此時，能夠以下面的等式 來表示參考電壓V r e f。 在電晶體T r 1係導通的情況中：

Vre f 二 VccxR2xR3/(R1xR2 + R2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -13- 541679 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1)1 X R 3 + R 1 X ：R 3 ：) 巷 上面 的 例子 ? 當 V C C = 5 V R 1 1 0 歐 姆 R 2 二 1〇 〇 歐姆 ? 且 R 3 = 5 0 〇 〇 歐 姆 時 5 參 考 電 壓 V r e "卓 落到4 .! 5 4 V 〇 依 據此 等 式， 如 果 外 部 ;電 源 電 壓 V C C 係 在 2 • 5 到 5 V 的 範圍 中 ，則 參 考 電 壓 丨V r e f 能 夠 藉 由 設 定 電 阻 器 R 1 爲 1〇 — 10 〇 歐 姆 電 阻 器 R 2 爲 1 0 歐 姆 — 1 仟 歐 姆 及電 阻器R : 3爲： L - 1 C 1仟歐姆 ί而 *被 設 定 爲 約 0 • 4 5到 4 .9 V 〇 如 上所 述 ，參 考 電 壓 V r e f 依 據 由 於 製 程 變 動 所 造 成 之 電 晶體 T r 1 臨 界 電 壓 :的 改 變 而 改 變 y 藉 此 能 夠 改 變 內 部 電源 電 壓V i η t 〇 明 確 地 說 ， 如 果 電 晶 體 T r 1 之臨界電壓由於製程變動而掉落下來，則參考電壓 v r e f下降，使得內部電源電壓V i n t能夠被降低。 實施例2 圖3係顯示本發明實施例2之內部電源電壓產生電路 構造的電路圖。 此實施例之內部電源電壓產生電路和實施例1之內部 電源電壓產生電路的不同僅在於參考電位產生電路4，自 動電壓調整電路3及定電壓電路1 5具有和實施例1之自 動電壓調整電路3及定電壓電路1 5相同的結構。 參考電位產生電路4具有電阻器R 4及R 5 ，其經由 電阻器R 4及R 5來分壓外部電源供應電壓V c c，藉以 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-14- 541679 A7 B7 五、發明説明（1)2 產生一決定電位Vc r i。 用以決定自動電壓調整電路3中電晶體Tr 1之導通 或非導通之決定電位V c r i的値係藉由電阻器R 4與實 施例1中的二極體D 1來予以決定。 當矽二極體被用作二極體D 1時，電流開始以約 〇.6 V之偏壓流動，將決定電位V c r i設定爲約 0 · 6 V係方便的，因爲其相對增加的準確性。但是，約 〇· 6 V之値能夠被採用。 因此，本實施例利用電阻器，而不是二極體，電阻器 的使用能夠以電阻値上的改變而很容易地改變參考電壓 V r e f之値。 在此內部電源電壓產生電路中，在參考電位產生電路 4中所產生之決定電位V c r i能夠以下面的等式來予以 表不。

Ycr i=VccxR5/(R4 + R5) 如果電阻器R 4之値及電阻器R 5之値被選擇性地設 定，則決定電位V c r i之値能夠被選擇性地改變。 依據此參考電位產生電路4，如果外部電源電壓 V c c係在2 · 5到5 V的範圍中，則決定電位V c r i 能夠藉由設定電阻器R4爲2 0 - 3 Ο Ο 0歐姆及電阻器 R5爲20 - 200歐姆而被設定爲約0 . 02到4 · 5 V。 即使外部電源電壓係在2 . 5到5 V的範圍以外，決 定電位V c r i能夠藉由改變電阻器R 4及R 5之値來予 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝·

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 541679 A7 B7 五、發明説明（1)3 。 明 定發 設本 地據 當依 適 以 咅 內 佳 最 沒 但 應 供 被 夠 匕匕 厶Η 壓 電 源 的並 器， 斷能 熔[4 加大 增最 有的 序 程 開 斷 匕 藉 匕匕 厶冃 率 良 止 防 夠 匕匕 Α0Ν 且 片 晶 澧 導 半 到 得 蒦 ο 夠1 變 的 上 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝_ 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16-

Claims (1)

1. 8 8 8 8 ABCD 541679 六、申請專利範圍 i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 . 一種半導體裝置之內部電源電壓產生電路，其包 括一分壓電路，該分壓電路係由一單一場效電晶體及多個 電阻器所構成而被結合入一半導體晶片中， 其中，該分壓電路藉由單一場效電晶體之導通或非導 通而將外部供應之電源電壓分割成兩種電壓，所分割之電 壓當作內部電源電壓而被供應至結合入半導體晶片中的多 個場效電晶體。 2 .如申請專利範圍第1項之內部電源電壓產生電路 ，其中，藉由分壓電路而將外部供應之電源電壓分割成兩 種電壓係在於依據單一場效電晶體之臨界電壓値來改變內 部電源電壓的値，該臨界電壓値已經由於在半導體晶片中 的製造期間之製程變動而改變。 3 ·如申請專利範圍第1項之內部電源電壓產生電路 ，其中，該分壓電路係一自動電壓調整電路，其係由具有 第一電阻器之第一電路及第二電路所構成，在第二電路中 ，一第二電阻器及單一場效電晶體之串聯電路被並聯連接 至一第三電阻器，而第一電路係和第二電路串聯連接。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 .如申請專利範圍第3項之內部電源電壓產生電路 ，另包括一參考電位產生電路，用以供應一被施加於自動 電壓調整電路中單一場效電晶體之閘極電極的電壓。 5 .如申請專利範圍第4項之內部電源電壓產生電路 ，其中，該參考電位產生電路具有一電路，在該電路中， 一第四電阻器與一二極串聯連接，此電路被用來將外部供 應之電源電壓分壓，並且輸出此所分割之電壓，做爲被施 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17- 541679 A8 B8 C8 D8 _ ^、申請專利乾圍 2 加於單一場效電晶體之閘極電極的電壓。 6 _如申請專利範圍第4項之內部電源電壓產生電路 ，其中，該參考電位產生電路具有一電路，在該電路中， 多個電阻器彼此串聯連接，此電路被用來將外部供應之電 源電壓分壓，並且輸出此所分割之電壓，做爲被施加於單 一場效電晶體之閘極電極的電壓。 7 ·如申請專利範圍第3項之內部電源電壓產生電路 ，另包括一定電壓電路，用以當接收到來自自動電壓調整 電路之輸出時，產生內部電源電壓。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）— -- -18-