JPH07183471A - 半導体メモリ装置の電圧昇圧回路 - Google Patents
半導体メモリ装置の電圧昇圧回路Info
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Abstract
る電圧昇圧回路を提供する。 【構成】 発振信号φOSCによるポンピングキャパシ
タ22のポンピングでポンピングノード24を昇圧し、
そしてこれをダイオード接続としたNPNバイポーラト
ランジスタ26を介して伝送し、昇圧電圧Vppとして
出力する。従来では伝送手段としてMOSトランジスタ
を使用していたためVppの高電圧の影響でボディーエ
フェクトが発生し、超高集積化した場合に昇圧効率を低
下させる要因となり得た。そこで電圧制御素子であるユ
ニポーラ素子に代えて電流制御素子としての特性をもつ
バイポーラ素子使用することで、昇圧効率向上、昇圧出
力の高速化、そしてボディーエフェクト防止等の高度の
デバイス特性が得られる。
Description
るもので、特に、半導体メモリ装置に備えられ、システ
ムから供給される電源電圧VCCを所望のレベルに昇圧
させた昇圧電圧VPPとして出力する電圧昇圧回路
〔“昇圧回路”“昇圧電圧発生回路”“VPP発生回
路”“ブートストラップ(BOOTSTRAP )回路”等とも呼
ばれる〕に関する。
置におけるデータの伝達は有効な電圧の移送と言える。
一般的に、CMOS構成の半導体メモリ装置において、
MOSトランジスタのチャネル領域を通じて伝送される
過程で、MOSトランジスタのしきい値ほどの電圧降下
が必然的に起こり得る。したがって、その電圧降下によ
り電圧は影響を受け損失が発生し得るので、データ読出
/書込の誤動作に対する無視できない要因となる。そこ
で、その解決策として電圧のレベルを予め引き上げる方
法が提示され、そのための電圧昇圧回路が使用され始め
ている。
本願出願人により1991年11月7日付で出願された
韓国特許出願第91−19740号『電圧昇圧回路』、
『1992 Symposium on VLSI Circuits Digest of Techni
cal Papers』第64〜65頁の論文『A 35ns 64Mb DRAM
Using On-Chip Boosted Power Supply』、米国特許第
4,704,706号等に開示された技術がある。
上記のような電圧昇圧回路の要部を概略的に示す。この
回路は、発振回路(図示略)の出力信号φOSCを受け
る入力ノード2と、この入力ノード2に各一方の電極が
接続されるポンピングキャパシタ4、6と、ポンピング
キャパシタ4、6の各他方の電極にそれぞれ接続される
ポンピングノード8、10と、これらポンピングノード
8、10にそれぞれ各ゲート及びドレイン端子が接続さ
れ、昇圧電圧VPPを出力するための伝送手段である伝
送トランジスタ12と、を備えている。尚、図示を省略
しているが、ポンピングノード8、10を電源電圧VC
Cレベルにプリチャージするプリチャージ回路も一般的
に設けられる。
(charge pump)として知られている構成である。その
動作を次に説明する。
際して、あるいはアクティブサイクルで内部回路の動作
により昇圧電圧VPPが正常レベルより低下する場合、
発振回路が動作する。この発振回路の発振動作により発
振信号φOSCが入力ノード2に入力されると、ポンピ
ングキャパシタ4、6がポンピング動作してポンピング
ノード8、10を2VCC程度のレベルに昇圧する。そ
して、ポンピングノード10にチャージされた電圧が、
伝送トランジスタ12のチャネルを通じて昇圧電圧VP
Pとして出力される。尚、プリチャージ回路により、ポ
ンピングノード8、10は初期に電源電圧VCCレベル
にプリチャージされる。
Cを電圧源として使用する発振回路により駆動し、最終
的に2VCC−VT(VTは伝送トランジスタ12のし
きい電圧)レベルの昇圧電圧VPPを発生する。
置はCMOS工程によって製造されるので、図5の電圧
昇圧回路もCMOS工程で形成される。すなわち、伝送
トランジスタ12もCMOS工程によるNMOSトラン
ジスタで形成される。したがって、MOSトランジスタ
のデバイス特性上、ソース端子、ドレイン端子にかかる
電圧のレベルが上昇するほどボディー効果(body effe
ct)が大きくなることは、この分野でよく知られてい
る。これは、半導体メモリ装置の超高集積化による素子
サイズ及び素子間隔の縮小を考えると、一層、影響を増
すであろうことは容易に理解できる。つまり、従来の電
圧昇圧回路には、MOSトランジスタとされる伝送トラ
ンジスタのデバイス特性により昇圧効率が低下するとい
う改善点が存在している。
的は、昇圧効率の向上した電圧昇圧回路を提供すること
にある。また、本発明の他の目的は、より高速で昇圧電
圧を出力し得る電圧昇圧回路を提供することにある。さ
らに、本発明のまた他の目的は、昇圧レベルが増加して
もボディー効果に影響されず、昇圧効率の向上した電圧
昇圧回路を提供することにある。加えて、本発明の更な
る目的は、伝送手段のデバイス特性により昇圧効率の向
上した電圧昇圧回路を提供することにある。
るために本発明は、伝送手段としてPN接合ダイオード
を用いて昇圧電圧を出力することをその要旨とする。そ
のPN接合ダイオードとしては、CMOS工程で3重ウ
ェル(tripple-well)構造を形成してバイポーラトラン
ジスタを構成し、このトランジスタをダイオードとして
動作させるものとするのが最適である。
は、具体的には、第1導電形の基板に形成した第2導電
形の第1ウェルと、第1ウェル内に形成した第1導電形
の第2ウェルと、第1ウェルに形成されてポンピングキ
ャパシタと接続される第2導電形の第1拡散領域と、第
2ウェルに形成されてポンピングキャパシタと接続され
る第1導電形の第2拡散領域と、第2ウェルに形成され
昇圧電圧を出力する第2導電形の第3拡散領域と、から
なる構造とすると、簡単にCMOS工程に組み込めるの
でよい。
参照して詳細に説明する。尚、図中の同じ部分にはでき
るだけ同じ符号を付している。
した等価回路図である。同図に示すように、ポンピング
により発生される昇圧電圧VPPを伝送出力する伝送手
段として、ダイオード接続したバイポーラトランジスタ
26を用いている。よく知られているように、ユニポー
ラ素子が電圧制御素子であるのに対し、バイポーラ素子
は電流制御素子としての特性をもつので、スイッチング
速度の向上、そして駆動力の大きさという点で利点があ
る。したがって、この例のようにPN接合ダイオードを
形成するバイポーラトランジスタ26を用いることで、
昇圧効率向上、所定の昇圧レベルへの昇圧動作の高速
化、そしてボディー効果の防止等の高度のデバイス特性
が得られる。これについて以下説明する。
の一例を断面図で示す。同図に示すのは、バイポーラト
ランジスタ26をCMOS工程による3重ウェル構造で
実施したものである。したがって、全体的にはBiCM
OS工程ともいえる。その製造工程を簡単に説明すると
次の通りである。尚、図2のような構造を形成するにあ
たっては通常の一般的な各種製造方法で容易に実施で
き、それらはよく知られた技術なので、そのマスク工程
や拡散工程等の詳細な説明は省略する。
P形基板28を使用し、このP形基板28にまず、第2
導電形の、すなわちN形ウェル30を形成する。そし
て、このN形ウェル30内のほぼ中央部位にP形ウェル
32を形成する。さらに、N形ウェル30のうちP形ウ
ェル32が形成されない部分にN+ 不純物を注入してN
+ 拡散領域38を形成し、また、P形ウェル32にP+
不純物及びN+ 不純物をそれぞれ注入してP+ 拡散領域
40及びN+ 拡散領域42を形成する。このようにして
バイポーラトランジスタ26が構成される。
純物の注入でN+ 拡散領域34とN + 拡散領域36を形
成し、そしてこれらの上部にゲート層35を形成するこ
とで、MOS形のポンピングキャパシタ22が形成され
ている。
する。N+ 拡散領域34とN+ 拡散領域36は信号φO
SCを受ける入力ノード20に接続される。この入力ノ
ード20に入力れる信号に対応して上部に形成されたゲ
ート層35でポンピングが行われ、したがってゲート層
35に接続されたポンピングノード24にはポンピング
で昇圧された電圧が印加される。ポンピングノード24
は、N形ウェル30のN+ 拡散領域38とP形ウェル3
2のP+ 拡散領域40に共通に接続される。そして、P
形ウェル32のN+ 拡散領域42から昇圧電圧VPPが
出力される。
イオードは、N+ 拡散領域42とP形ウェル32を通じ
て形成されることは容易に分かる。このとき、このPN
接合ダイオードを介して昇圧電圧VPPを出力するため
には、ポンピングノード24とP形基板28を絶縁(is
olation )しておく必要がある。すなわち、絶縁してお
かなければ、ポンピングノード24にチャージされるポ
ンピング電圧がP形基板28を通じて放電されてしまう
ためである。したがって、これを防止するためにNPN
バイポーラトランジスタの構造としてPN接合ダイオー
ドを拡散抵抗としてのN形ウェル30内に形成してい
る。これにより放電現象が防止されることは、この分野
で通常の知識を有する者であれば容易に理解できるであ
ろう。
ル30のN+ 拡散領域38とP形ウェル32のP+ 拡散
領域40に共通に接続される理由について説明する。つ
まり、ダイオード接続としたバイポーラトランジスタ2
6を用いる利点について説明しておく。
38を通じてN形ウェル30にポンピング電圧が供給さ
れない場合、すなわちポンピングノード24によりP+
拡散領域40のみにポンピング電圧が印加される場合、
P−N順方向バイアスが発生してP形ウェル32にかか
る高電圧がN形ウェル30へ流れることになる。する
と、そのためにP形ウェル32のN+ 拡散領域42を所
定のレベルに昇圧することができなくなる。これを防止
するためには、N形ウェル30に相応の高電圧を供給し
ておけばよい。そこで、単純にポンピングノード24と
N+ 拡散領域38を接続して同じ電圧を加えれば簡単で
ある。したがって、その結果を全体的にみるとダイオー
ド接続としたNPNバイポーラトランジスタ26の形態
となる。さらにこのとき、P形基板28は、P−N順方
向バイアスのような問題を防止するために接地電圧GN
D(又は基板電圧VBB)としておく。
ポーラトランジスタ26を形成すると、昇圧電圧VPP
の発生に際して電流変化を抑えられ、所望の高レベルへ
昇圧して昇圧電圧VPPを発生するためにかかる時間を
最小化することが可能になる。つまり、昇圧効率性を高
めることができるので、電圧昇圧回路の動作特性が向上
する。
て電圧昇圧回路を構成する場合には、実際には次にあげ
る図3の例のような構成とするのが安定性等の面で好ま
しい。
プ(charge pump)回路の構成をもている。すなわち、
発振回路(図示略)の出力信号φOSCを受け、そのト
リガされる信号φOSCの1周期の間の論理変化に従っ
て2回のポンピングを行うようにした実施例である。
信号φOSCを受ける入力ノード44と、入力ノード4
4に入力端子が接続された第1インバータ46と、第1
インバータ46の出力端子に一方の電極、第1ポンピン
グノード50に他方の電極が接続され、第1インバータ
46の出力信号に応答して第1ポンピングノード50を
ポンピングする第1ポンピングキャパシタ48と、第1
ポンピングノード50にベースとコレクタが共通に接続
され、昇圧電圧VPPを出力する昇圧ノード72にエミ
ッタが接続された第1バイポーラトランジスタ54と、
から1つの昇圧ブロックが構成される。さらに、入力ノ
ード44に入力端子が接続された第2インバータ60
と、第2インバータ60の出力端子に入力端子が接続さ
れた第3インバータ62と、第3インバータ62の出力
端子に一方の電極、第2ポンピングノード66に他方の
電極が接続され、第3インバータ62の出力信号に応答
して第2ポンピングノード66をポンピングする第2ポ
ンピングキャパシタ64と、第2ポンピングノード66
にベースとコレクタが共通に接続され、昇圧ノード72
にエミッタが接続された第2バイポーラトランジスタ7
0と、からもう1つの昇圧ブロックが構成されている。
そして、プリチャージ回路として、ゲートに電源電圧V
CCを受けるダイオード形とされ、第1ポンピングノー
ド50をVCC−Vtnレベルにプリチャージする第1
プリチャージトランジスタ52と、第2ポンピングノー
ド66にゲートが接続されて第2ポンピングノード66
のポンピング時に第1ポンピングノード50を電源電圧
VCCレベルにプリチャージする第2プリチャージトラ
ンジスタ56と、ゲートに電源電圧VCCを受けるダイ
オード形とされ、第2ポンピングノード66をVCC−
Vtnレベルにプリチャージする第3プリチャージトラ
ンジスタ68と、第1ポンピングノード50にゲートが
接続されて第1ポンピングノード50のポンピング時に
第2ポンピングノード66を電源電圧VCCレベルにプ
リチャージする第4プリチャージトランジスタ58と、
を備えている。トランジスタ52、56、58、68は
NMOSFETである。
せて、2つのポンピングノード50、66に対し図2の
ようなバイポーラトランジスタ54、70をそれぞれ伝
送トランジスタとして接続する。
ワーオン後のメモリ装置のエネーブル前、あるいは昇圧
電圧VPPが所定のレベルに維持されていて電圧昇圧回
路がディスエーブル状態にあるときには、第1、第3プ
リチャージトランジスタ52、68のプリチャージによ
り、第1、第2ポンピングノード50、66はVCC−
Vtnレベルにプリチャージされる(Vtnはプリチャ
ージトランジスタ52、68のしきい電圧)。このプリ
チャージ後に、メモリ装置がエネーブルされ、あるいは
昇圧電圧VPPが所定のレベル以下に降下したとき、電
圧昇圧回路はエネーブルされる。
り、発振信号φOSCが一定周期の矩形波として入力ノ
ード44に入力される。
SCが論理“ロウ”から論理“ハイ”に遷移して入力ノ
ード44に入力される場合を説明する。このとき、第1
インバータ46は論理“ロウ”の信号を出力し、第1ポ
ンピングキャパシタ48による昇圧動作は行われず、し
たがって第1ポンピングノード50はプリチャージレベ
ルをそのまま維持する。一方、第2インバータ60は論
理“ロウ”の信号を、そして第3インバータ62は論理
“ハイ”の信号を出力する。これにより、第2ポンピン
グキャパシタ64が昇圧動作を行い、第2ポンピングノ
ード66をプリチャージレベルのVCC−Vtnからそ
の2倍程度まで昇圧する。この昇圧されたポンピング電
圧は、第2バイポーラトランジスタ70を通じて昇圧ノ
ード72に伝送され、昇圧電圧VPPとして出力され
る。
は図2のように形成された素子であるので、第2ポンピ
ングノード66と昇圧ノード72が第2バイポーラトラ
ンジスタ70を介して電荷分配を行う際には上述したよ
うなデバイス特性が発揮され、バイポーラ素子特有の高
速伝送が遂行されて第2ポンピングノード66にチャー
ジされた高電圧が高速で昇圧ノード72に伝送される。
そして、昇圧ノード72が高電圧となっても、図2を参
照すると分かるようにボディー効果が発生しない。より
詳細に説明しておくと、図3に示す第1、第2バイポー
ラトランジスタ54、70のエミッタが図2に示すN+
拡散領域42、ベースがP+ 拡散領域40、コレクタが
N+ 拡散領域38となる。したがって、昇圧ノード72
が高電圧となってもボディー効果の発生が防止されるこ
とは容易に理解できる。
6の2(VCC−Vtn)レベルのポンピング電圧によ
り、第2プリチャージトランジスタ56のチャネルが完
全(full)に導通し、第1ポンピングノード50がVC
Cレベルにプリチャージされる。
論理“ハイ”から論理“ロウ”に遷移して入力ノード4
4に入力される場合を説明する。このとき、第1インバ
ータ46は論理“ハイ”の信号を出力することになる。
そして、第1ポンピングキャパシタ48が第1ポンピン
グノード50を、第1過程によるプリチャージレベルの
VCCから2VCCレベルに昇圧する。この昇圧された
第1ポンピングノード50のポンピング電圧が第1バイ
ポーラトランジスタ54を通じて昇圧ノード72に伝送
され、第1過程より更に昇圧された昇圧電圧VPPが出
力される。一方、第2インバータ60は論理“ハイ”の
信号を、そして第3インバータ62は論理“ロウ”の信
号を出力する。これにより、第2ポンピングキャパシタ
64による第2ポンピングノード66の昇圧動作は行わ
れない。このときには、第1ポンピングノード50の2
VCCレベルのポンピング電圧により、第4プリチャー
ジトランジスタ58のチャネルが完全に導通し、第2ポ
ンピングノード66はVCCレベルにプリチャージされ
る。それにより、次の昇圧動作での効率性を向上させて
いる。
も図2のように形成された素子であるので、第1ポンピ
ングノード50と昇圧ノード72が第1バイポーラトラ
ンジスタ54を介して電荷分配を行う際にも上述したよ
うなデバイス特性が発揮され、バイポーラ素子特有の高
速伝送が遂行されて第1ポンピングノード50にチャー
ジされた高電圧が高速で昇圧ノード72に伝送される。
そして、第1過程と同様、昇圧ノード72の高電圧によ
るボディー効果は防止される。
ウ”から論理“ハイ”に遷移して入力ノード44に入力
され、第1過程が繰り返されるが、これから先は、ポン
ピングノード50、66のプリチャージレベルはVCC
レベルとなり、このレベルからの昇圧動作となるので効
率性がよい。以上のような一連の過程が反復されて所定
レベルの昇圧電圧VPPが発生される。
P発生過程を、電圧−時間関係で示したグラフを示す。
同図より分かるように、図3の電圧昇圧回路では、昇圧
電圧VPPを所定のレベル(2VCC程度のレベル)ま
で上昇させるセットアップタイム(set-up time)が、
従来技術に比べかなり短くなっている。
立脚して実現した最適の例を示したものであるが、当然
ながら、本発明の要部さえおさえてあれば、その他の構
成については上記の他にも各種実施形態が存在すること
はこの分野で通常の知識をもつ者であれば容易に理解で
きよう。
昇圧回路は、伝送手段としてPN接合ダイオード、特に
ダイオード接続としたバイポーラトランジスタを用いた
ことにより、ボディー効果を抑えられ、高速で効率よく
昇圧電圧を出力できるという利点がある。したがって、
電源の安定性が格段に向上し、半導体メモリ装置の動作
安定性、信頼性の向上に大きく寄与するものである。
路図。
示す要部断面図。
回路図。
を縦軸、時間を横軸にとって従来例と比較して示したグ
ラフ。
図。
Claims (9)
- 【請求項1】 一定周期の発振信号を受ける入力ノード
と、所定の電圧レベルにプリチャージされるポンピング
ノードと、昇圧電圧を出力する昇圧ノードと、入力ノー
ドに入力される発振信号に応答してポンピング動作しポ
ンピングノードを昇圧するポンピングキャパシタと、ポ
ンピングノードに発生した電圧を昇圧ノードへ伝送する
PN接合ダイオードと、を備えてなることを特徴とする
半導体メモリ装置の電圧昇圧回路。 - 【請求項2】 PN接合ダイオードがNPNバイポーラ
トランジスタで形成されている請求項1記載の電圧昇圧
回路。 - 【請求項3】 第1導電形の基板に第2導電形の不純物
拡散領域を形成してなるMOS形のポンピングキャパシ
タをもつ半導体メモリ装置の電圧昇圧回路において、 基板に形成した第2導電形の第1ウェルと、第1ウェル
内に形成した第1導電形の第2ウェルと、第1ウェルに
形成されてポンピングキャパシタと接続される第2導電
形の第1拡散領域と、第2ウェルに形成されてポンピン
グキャパシタと接続される第1導電形の第2拡散領域
と、第2ウェルに形成されて昇圧電圧を出力する第2導
電形の第3拡散領域と、から構成されるバイポーラトラ
ンジスタを備えたことを特徴とする電圧昇圧回路。 - 【請求項4】 第1導電形がP形で、第2導電形がN形
である請求項3記載の電圧昇圧回路。 - 【請求項5】 一定周期の矩形波とされた発振信号に応
じて動作するチャージポンプ型の電圧昇圧回路であっ
て、 発振信号を受けて反転させる第1インバータと、第1イ
ンバータに一方の電極、第1ポンピングノードに他方の
電極が接続され、第1インバータの出力に応答して第1
ポンピングノードをポンピングする第1ポンピングキャ
パシタと、第1ポンピングノードにベースとコレクタが
共通に接続され、昇圧電圧を出力する昇圧ノードにエミ
ッタが接続された第1バイポーラトランジスタと、発振
信号を受けて反転させる第2インバータと、第2インバ
ータの出力を反転させる第3インバータと、第3インバ
ータに一方の電極、第2ポンピングノードに他方の電極
が接続され、第3インバータの出力に応答して第2ポン
ピングノードをポンピングする第2ポンピングキャパシ
タと、第2ポンピングノードにベースとコレクタが共通
に接続され、昇圧ノードにエミッタが接続された第2バ
イポーラトランジスタと、を備えてなることを特徴とす
る電圧昇圧回路。 - 【請求項6】 第1ポンピングノードをプリチャージす
るダイオード形の第1プリチャージトランジスタと、第
2ポンピングノードにゲートが接続されて第2ポンピン
グノードのポンピング時に第1ポンピングノードをプリ
チャージする第2プリチャージトランジスタと、第2ポ
ンピングノードをプリチャージするダイオード形の第3
プリチャージトランジスタと、第1ポンピングノードに
ゲートが接続されて第1ポンピングノードのポンピング
時に第2ポンピングノードをプリチャージする第4プリ
チャージトランジスタと、を更に備える請求項5記載の
電圧昇圧回路。 - 【請求項7】 発振信号によるポンピングで昇圧した電
圧を発生し、これを伝送手段を介して昇圧ノードへ伝送
し昇圧電圧として出力するようになった電圧昇圧回路に
おいて、伝送手段にPN接合ダイオードを用いたことを
特徴とする電圧昇圧回路。 - 【請求項8】 ダイオード接続としたバイポーラトラン
ジスタでPN接合ダイオードを形成した請求項7記載の
電圧昇圧回路 - 【請求項9】 P形基板に形成したN形ウェルと、この
N形ウェル内に形成したP形ウェルと、前記N形ウェル
に形成したコレクタ端子としてのN形拡散領域と、前記
P形ウェルに形成したエミッタ端子としてのN形拡散領
域と、前記P形ウェルに形成したベース端子としてのP
形拡散領域と、からバイポーラトランジスタを構成し、
コレクタ端子とベース端子を電気的に接続してダイオー
ド接続とした請求項8記載の電圧昇圧回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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