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JP3761202B2 - 半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路 - Google Patents
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JP3761202B2 - 半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路 - Google Patents

半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路 Download PDF

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路に係り、特にバックバイアス電圧発生器がメモリセルブロックに近接して設けられ、そのメモリセルブロックが駆動されている間上記バックバイアス電圧発生器が動作するようにすることによりバックバイアス電圧の変動をなくし、半導体動作の信頼性を向上させるのに好適なバックバイアス電圧発生回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に基板のバックバイアス電圧発生回路を有する半導体メモリ装置は、図5乃至図7に図示された米国特許番号第4,775,959号によく示されている。
すなわち、半導体メモリ装置でバックバイアス電圧(以下“VBB”という)発生回路は、図5のVBB−Gで示されるように、タイミングコントロール回路TCにより/RAS信号より若干遅延される/RAS1信号を得て、電圧レベル検出(以下“VLD”という)部の出力信号と、上記/RAS1により駆動されるようになっている。なお、本明細書において、/RAS信号等における記号の“/”は“バー(bar)”を意味する。
タイミングコントロール回路TCは、図5に示すように、外部端子から供給される、アドレスストローブ信号(row address strobe signal)/RASとアドレスストローブ信号(column address strobe signal)/CASと書き込み可能信号(write enable signal)/WEを受けてメモリ動作に必要ないろいろのタイミング信号例えば/RAS1を発生する。
ここで、VLD部は基板バックバイアス電圧レベルが設定された絶対値レベルを超過したか否かを感知する。
【0003】
また、上記VBB発生回路VBB−Gの回路は、図6に図示するように、第1Vbb電圧発生器Vbb−G1および第2Vbb電圧発生器Vbb−G2で構成され、VLD部VLDは3個のNMOSダイオードQ12〜Q14が直列に接続され、Vcc電源端子には、2個のPMOSトランジスタQ10、Q11が直列に接続され、これにさらにVbb電源端子との間にダイオードQ12〜Q14が直列に接続される。また、上記Vcc端子はトランジスタQ15〜Q17およびインバータIV0、IV1を介してナンドゲートG1の一つの入力端子に接続され、上記ナンドゲートG1の他側の入力端子は/RAS1に接続されている。そこでノード“A”の信号は、PMOSトランジスタQ15、Q16で構成されるインバータと、インバータIV0と、インバータIV1を経てナンドゲートG1の一つの端子に入力されることになる。
そして、VBB発生回路VBB−Gの第1Vbb電圧発生器Vbb−G1は、第2発振部OSC2と、この第2発振部OSC2の信号を緩和させる機能を有するインバータIV4、IV5のバッファ部と、ポンピングキャパシタC2と、そして、ポンピングキャパシタC2に接続されまたグラウンドと基板Vbbの間に直列接続されたダイオードQ20、Q21を有する整流部で構成される。
第2Vbb電圧発生器Vbb−G2は、3個のナンドゲートG2〜G4で構成された第1発振部OSC1と、この第1発振部OSC1の出力端子に直列に接続された2個のインバータIV2、IV3から成るバッファ部と、そして、このバッファ部の出力端子からポンピングキャパシタC1を介して接続されたPMOSトランジスタQ18、Q19のダイオード結線された直列構成を有する整流部で構成されている。
ここで、第2Vbb電圧発生器Vbb−G2のポンピングキャパシタC1は、大きな容量を用い、第1Vbb電圧発生器Vbb−GのキャパシタC2は相対的にC1より小さい容量のキャパシタを使用する。
【0004】
図7は、従来VBB発生回路(VBB−G)の動作タイミング図である。
上記の如く構成された従来の半導体メモリ装置は、先ず第1Vbb電圧発生器Vbb−G1の動作から説明すれば、電源Vccが印加されれば、第2発振部OSC2を通して所定周期の発振信号が連続的に出されることになり、このような第2発振部OSC2の発振信号が“ハイ”のときは、ダイオードQ20がターンオンとなりポンピングキャパシタC2の一つの電極がグラウンドに連結されてグラウンドレベルになる。また第2発振部OSC2の発振信号が“ロー”状態となるとき、ダイオードQ20はターンオフになると同時にダイオードQ21はターンオン状態になり、キャパシタC2の一つの電極がグラウンドレベルより負側のレベルになることにより、Vbb電圧レベルは負の方向に低められる。
このような動作は電源が印加されている間継続して生ずる。
【0005】
しかし、上記第1Vbb電圧発生器Vbb−G1による駆動能力は非常に弱く、それは、スタンドバイ(STAND−BY)状態にあるチップにおけるトランジスタの漏洩電流を補償する程度のものである。
この技術の主なバックバイアス電圧発生器は、VLD部と結ばれた第2Vbb電圧発生器Vbb−G2部で、この部分は負電圧を発生する比較的に大きな駆動容量を持っている。
この部分にVccの電源が印加されれば、PMOSのトランジスタQ10がターンオンとなりAノードは“ハイ”状態となる。したがって、PMOSのトランジスタQ15はオフ状態となり、Bノードは“ロー”となり、この“ロー”信号がインバータIV0により反転され出力端子であるCノードは“ハイ”となるので、インバータIV1で再び反転されて出力端子であるDノードは“ロー”状態になり、この信号がナンドゲートG1の一つの入力に印加される。
このとき/RAS信号より若干遅延された/RAS1信号が“ロー”に印加されると、上記ナンドゲートG1出力であるEノードは“ハイ”となるため第1発振部OSC1が動作され、この発振信号はバッファ部を介してキャパシタC1に印加され、上記キャパシタC1のポンピング動作により、整流部のダイオードQ18、Q19の動作で、基板に負電圧が印加される。
【0006】
継続して負電圧が印加されVBBの電圧レベルが図7に示されるように−3VthとなればVLD部のダイオードQ12、Q13が順方向となりターンオンとなり、したがって、PMOSトランジスタQ11もオンとなりAノードは“ロー”、Bノードは“ハイ”、Cノードは“ロー”、Dノードは“ハイ”となる。
このときには、/RAS1信号により第1発振部OSC1動作が決定され/RAS1が“ハイ”状態、すなわち、スタンドバイ状態では第1発振部OSC1の動作が止まり、キャパシタC1のポンピング作用が止まることになる。また/RAS1が“ロー”すなわち、駆動状態では継続して負のポンピングをすることになる。
【0007】
チップがスタンドバイ状態である間は、大部分のトランジスタ等がオフ状態であり、等化器またはプリチャージトランジスタ等だけの動作で、その場合の漏洩電流の量は比較的に小さい。したがって、この状態ではスタンドバイに必要とされる電力の消耗は、駆動能力の小さい第1Vbb電圧発生器Vbb−G1だけを動作させることにより低減することができる。一方、チップが駆動されている状態やVBB電圧レベルが−3Vthに低下してしまわない場合には、駆動能力の大きい第2Vbb電圧発生器Vbb−G2により動作させることによってチップが駆動されるようになり、多くのトランジスタが動作されるが、これにより、比較的に大きい漏洩電流によって引き起こされるVBB電圧の上昇を防ぎ、安定したチップ動作を実現することが可能になる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の半導体メモリ装置においては、メモリ容量が増大されることによりVBB電圧発生器も増加されなければならない。しかし、あるアレーブロックがVBB電圧発生器から最も遠くに位置しているとすると、VBB電圧発生器からVBB電圧を伝送するときの遅延により、その最も遠いアレーブロックのVBB電圧は上昇する。これにより、そのアレーブロックの誤動作が生じ得るので、半導体メモリ装置の信頼性を低下させる問題が発生する。
【0009】
本発明の目的は、VBB電圧発生器から遠くにあるメモリセルアレーブロックが動作する場合にもVBB電圧が上昇しないようにしてメモリセルアレーの誤動作をなくし、かつ電力消耗を縮小することができる半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明では、例えば図1に示すように、第1Vbb電圧発生器20と第2Vbb電圧発生器30を含む構成を有して半導体メモリ装置の基板にバックバイアス電圧を供給する半導体メモリ装置のバックバイアス電圧(VBB電圧)発生回路において、
上記第2Vbb電圧発生器30は、上記半導体メモリ装置に加えられる/RAS信号と/CAS信号と/WE信号との組み合わせによって発生されるタイミング信号により駆動され所定周期のクロックパルスを発生する第2発振部31と、半導体メモリ装置の各メモリセルアレーブロックにそれぞれ近接して配置された複数の分配電圧発生器32a〜32nを備え、
該複数の分配電圧発生器32a〜32nは上記第2発振部31の出力端子と上記VBB電圧発生器の出力端子との間に相互に並列接続され、かつ該分配電圧発生器を選択する選択信号BS1〜BSnにより、上記第2発振部31のクロックパルスを受け、VBB電圧を発生させ、
上記分配電圧発生器例えば32aは、例えば図3に示すように、
上記第2の発振部31からのクロックパルスを緩衝させるバッファ部例えば33aと、該バツファ部33aの出力端子に接続されてバックバイアス電圧をポンピングするポンピングキャパシタCaと、該ポンピングキャパシタCaに接続されて基板にバックバイアス電圧VBBを供給する整流部34aを含む補助ポンピング部35aと、
上記第2発振部31の出力のクロックパルスを上記補助ポンピング部35aに印加して該補助ポンピング部35aのポンピング動作を駆動させるスイッチング手段N7aを備える構成にして、分配電圧発生器の出力を選択的に発生させ、
さらに、上記分配電圧発生器を、例えば図2に示すように、メモリセルアレー50とメモリセルアレー60との間に設けた行デコーダの横に配置する。
【0013】
また上記スイッチング手段は、NMOSFETで構成すればよい。
【0014】
また、上記バッファ部は、例えば図3の33aのように、インバータで構成してもよい。
【0015】
あるいは上記整流部は、少なくとも二つのダイオードで構成するようにすれば、異なる電位レベルのVBB電圧を容易に出力することができ好ましい。
【0018】
【作用】
本発明の構成の中で、VBBの出力電圧を与える、複数の分配電圧発生器例えば図1の32a〜32nのそれぞれを、図2に示すように、各メモリセルアレーブロックに近接配置することにより、メモリセルアレーブロックにVBB電圧を供給するに際しての時間遅延の問題をなくし、したがってVBB電圧が上昇してメモリセルアレーが誤動作をするような問題をなくすことが可能になる。すなわち、本発明の上記構成によれば、例えばメモリ容量が大きく、チップサイズが大きく、VBB電圧発生回路から遠い位置にあるメモリセルアレーブロックに対しても、これに近接した分配電圧発生器からVBB電圧を供給できるので、VBB電圧の伝達の時間遅延に伴う上記のメモリセルの誤動作をなくすことが可能になる。
また、分配電圧発生器例えば32aは、これに近接して配置されたメモリセルアレーブロックの選択に伴い、これに対応して選択信号例えばBS1により選択され得るので、VBB電圧供給が所要のメモレセルアレーブロックに対して選択的に行われることになり、電力消耗を著しく縮小することが可能になる。
さらに本発明の構成では、後述において詳述するように、第1Vbb電圧発生器は、スタンドバイ状態においてVBB電圧を供給するものであり、第2Vbb電圧発生器は、メモリセルアレーブロックの駆動時、つまりそのブロックが書き込みまたは読み出し動作のためにアクセスされているとき、これに近接するあるいは特にこれに隣接するように配置された分配電圧発生器が選択信号により選択され、これにより/RAS信号より若干遅延された/RAS1信号を受けた上記の分配電圧発生器が近接または隣接の上記メモリセルアレーブロックに対してVBB電圧を供給することが可能になる。
【0019】
【実施例】
以下、添付された図面により詳細に説明すれば次の通りである。
図1は、本発明によるVBB発生回路のブロック図を示すものである。図1に示すように、半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生器の回路は、電圧レベル検出部10とVBBに接続され、/RAS1信号によって制御される第1Vbb電圧発生器20と、ブロック選択信号BS1〜BSnによって制御され、VBBに接続され、かつ分配電圧発生器32a〜32nを含む第2Vbb電圧発生器30の構成を有する。上記分配電圧発生器32a〜32nは、図2に示すように、各メモリセルアレイブロックと相互対向されるメモリセルアレイブロックの間に各々配置されている。
【0020】
図3は本発明によるVBB発生回路40の詳細の回路図であって、通常のVLD部10の出力端子に第1発振部21が連結され、上記第1発振部21の出力側にはポンピング部24を通してVBBに連結される。上記ポンピング部24は、第1発振部21の発振信号を緩衝させ、かつ2個のインバータINV1、INV2が直列接続されてなるバッファ部22と、その出力端子に接続したポンピングキャパシタC1と、このポンピングキャパシタC1との協力動作でVBBに負電圧を与える、ダイオードN1、N2から成る整流部23で構成される。
そして、第2Vbb電圧発生器30は、/RAS1信号を反転させるインバータIV8の出力信号により制御される第2発振部31と、上記第2発振部の出力端子とVBB端子との間に並列に接続された分配電圧発生器32a〜32nで構成される。
かつ、上記分配電圧発生器32a〜32nは、第2発振部31の出力端子に連結されてブロック選択信号BS1〜BSnにより発振信号を伝送および遮断させるスイッチングトランジスタN7a〜N7nと、上記トランジスタN7a〜N7n出力端子には、上記第1Vbb電圧発生器20のポンピング部24の構成と同一の補助ポンピング部35a〜35nが連結される。
上記補助ポンピング部35a〜35nは、上記第2発振部31の出力信号を緩衝させるバッファ部33a〜33nと、上記バッファ部33a〜33nの出力側に連結されポンピングキャパシタ機能を有するキャパシタCa〜Cnと、キャパシタCa〜Cnの一方の電極に連結されてVBBに負電圧を印加させる、ダイオード(N3a、N4a)〜(N3n、N4n)から成る整流部34a〜34nで構成される。
【0021】
図4は、本発明によるVBB電圧発生器40の動作タイミング図で、/RAS、/RAS1、OSC2、およびBSi信号の波形を示す。上記の如く構成された本発明は、先ず第1Vbb電圧発生器20により、従来の動作説明と同じくVBB電圧が−3Vthとなる前に、第1発振部21を動作させることによって、ポンピング部24のキャパシタC1によりVBBにマイナス電圧を印加し、−3VthとなればVLD部10の信号位相が変えられて第1発振部21の回路が止り、VBBにそれ以上の負電圧が供給されないようにする。
一方、チップが駆動されると、図4の(イ)のように/RAS信号が“ロー”レベルとなり、上記/RAS信号より若干遅延された信号/RAS1が発生する(ロ)。上記/RAS1信号が第2Vbb電圧発生器30のインバータIV8により“ハイ”に反転され、第2発振部31に伝送されるため上記第2発振部31は動作し、この発振信号は分配電圧発生器32a〜32nに印加される。
このとき、メモリセルアレイのうちの一つが選択されると、(ニ)図のようにブロック選択信号(BS1〜BSn)も選択的に“ハイ”状態となる。そこで、分配電圧発生器32a〜32nのトランジスタN7a〜N7nのうち、1個以上のトランジスタが選択的にターンオンとなり、これにより、選択されたメモリセルアレイブロックの補助ポンピング部35a〜35nで第2発振部31の信号が供給される。
仮に例を挙げて、図3でブロック選択信号BS1が“ハイ”レベルとなったと仮定すれば、分配電圧発生器32aのトランジスタN7aがターンオンとなるので、(ハ)図のように/RAS1信号が“ロー”レベルの間に第2発振部31が動作して、所定周期のパルスを発生している上記第2発振部31の出力信号をトランジスタN7aを介して補助ポンピング部35aに伝送することになる。
【0022】
トランジスタN7aを経由した第2発振部31の出力信号は、インバータIV3a、IV4aを通してバッファリングされた後、ポンピングキャパシタCaを経てVBBに負電圧を印加させることになる。
すなわち、ブロック選択信号BS1が“ハイ”状態で、また(ハ)図のように第2発振部31の出力Dノードが“ハイ”レベルとなれば、バッファ機能のインバータIV3a、IV4aを介してキャパシタCaの一つの電極に“ハイ”が印加される。したがって、ポンピングキャパシタの結合効果によってBノードも“ハイ”となりダイオードN3aはオン状態となり、他のダイオードN4aは逆方向電圧が印加されターンオフされることにより、Bノードをグラウンド電圧にするようになる。
一方、第2発振部31の出力Dノードが“ロー”レベルとなれば、バッファ機能のインバータIV3a、IV4aを介してキャパシタCaの電極に“ロー”が印加されることにより、Bノードが負電圧を有することになり、ダイオードN3aは、逆方向バイアスがかけられてオフ状態となる。他のダイオードN4aは、BノードがVBBより低い電圧になるため順方向にターンオンとなることにより、VBBに負電圧を印加する。
メモリセルアレイ50a、60aブロックが選択されないで/RAS信号が“ハイ”レベルに上昇すれば、上記/RAS信号より若干遅延される/RAS1信号も“ハイ”となるので、その/RAS1信号はインバータIV8で“ロー”に反転され、その信号が第2発振部31に印加される。そこで、上記第2発振部31の動作が停止され、同時にブロック選択信号BS1も“ロー”レベルとなり、このため、分配電圧発生器32aのトランジスタN7aはターンオフ状態になり、ポンピング部35aのキャパシタCaのポンピング作用が停止される。
上記のような動作で残りのメモリセルアレイ50b〜50n、60b〜60nが選択的に駆動される場合、該当するブロック選択信号BS2〜BSnも同時に“ハイ”レベルとなり、これに対応する分配電圧発生器32b〜32nだけを駆動させることにより電力消耗を縮めることができるのである。
【0023】
【発明の効果】
以上に詳述したように、半導体メモリ装置のメモリ容量が増大するにつれて、VBB電圧発生器と容量も増大する。そこで、若しVBB電圧発生器から最も遠いアレイのブロックが選択されて動作する場合、そのブロックはVBB電圧発生器から比較的に遠いため、最も遠いアレーブロックのVBB電圧が、その伝達上の遅延により上昇する。これによりアレーブロックの誤動作が発生する。この点において、本発明は半導体メモリ装置の信頼性を低下させる問題を解決することができる。VBB電圧発生器において、最も遠いメモリセルアレイブロックが動作される場合、それに隣接した分配電圧発生器だけを動作させてVBB電圧の上昇を抑制することが可能となり、そしてこれにより安定した動作が可能であり、電力消耗を著しく低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のバックバイアス電圧発生回路のブロック図。
【図2】本発明のバックバイアス電圧発生回路の配置状態図。
【図3】本発明のバックバイアス発生回路。
【図4】本発明のバックバイアス電圧発生回路の動作タイミング図。
【図5】従来のバックバイアス電圧発生回路のブロック図。
【図6】従来のバックバイアス電圧発生回路図。
【図7】従来のバックバイアス回路の動作タイミング図。
【符号の説明】
10…電圧レベル検出(VLD)部 20…第1Vbb電圧発生器
21…第1発振部 30…第2Vbb電圧発生器
22、33a〜33n…バッファ部 23、34a〜34n…整流部
24…ポンピング部 31…第2発振部
32a〜32n…分配電圧発生器 35a〜35n…補助ポンピング部
40…バックバイアス電圧(VBB)発生回路
50a〜50n、60a〜60n…メモリセルアレイ
IN8…インバータ

Claims (4)

  1. 第1Vbb電圧発生器と第2Vbb電圧発生器を含む構成を有して半導体メモリ装置の基板にバックバイアス電圧を供給する半導体メモリ装置のバックバイアス電圧(VBB電圧)発生回路において、
    上記第2Vbb電圧発生器は、上記半導体メモリ装置に加えられる/RAS信号と/CAS信号と/WE信号との組み合わせによって発生されるタイミング信号により駆動され所定周期のクロックパルスを発生する第2発振部と、上記半導体メモリ装置の各メモリセルアレーブロックにそれぞれ近接して配置された複数の分配電圧発生器を備え、
    該複数の分配電圧発生器は、上記第2発振部の出力端子とVBB電圧発生回路の出力端子との間に相互に並列接続され、かつ該分配電圧発生器を選択する選択信号により、上記第2発振部のクロックパルスを受けVBB電圧を発生させるものであり、
    上記分配電圧発生器は、
    上記第2の発振部からのクロックパルスを緩衝させるバッファ部と、該バツファ部の出力端子に接続されてバックバイアス電圧をポンピングするポンピングキャパシタと、該ポンピングキャパシタに接続されて基板にバックバイアス電圧を供給する整流部を含む補助ポンピング部と、
    上記第2発振部の出力のクロックパルスを上記補助ポンピング部に印加して該補助ポンピング部のポンピング動作を駆動させるスイッチング手段を備え、
    メモリセルアレー50とメモリセルアレー60との間に設けた行デコーダの横に配置される、
    ことを特徴とする半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路。
  2. 請求項1記載の半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路において、上記スイッチング手段は、NMOSFETであることを特徴とする半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路。
  3. 請求項1記載の半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路において、上記バッファ部は、インバータで構成されることを特徴とする半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路。
  4. 請求項1記載の半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路において、上記整流部は、少なくとも二つのダイオードで構成されることを特徴とする半導体メモリ装置のバックバイアス電圧発生回路。
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