DE4034668A1 - Substratspannungsgenerator fuer halbleiterbauelemente - Google Patents

Substratspannungsgenerator fuer halbleiterbauelemente

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für ein Halbleiterbauelement, insbesondere auf einen innerhalb des Halbleiterbauelements untergebrachten Substratspannungsgenerator.
Seit neuerer Zeit wird mit zunehmender Integrationsdichte der Halbleiterbauelemente die Größe des Transistors immer kleiner, wodurch sich die Zuverlässigkeit der Spannungsversorgung verschlechtert und der Leistungsverbrauch steigt. Daher besitzen die meisten Halbleiterbauelemente einen Substratspannungsgenerator, um die Schwellenspannung der MOS (Metalloxidtransistoren) zu stabilisieren, die Kapazitäten der Übergangszone zu verringern und parasitäre Transistoren sowie falsche Operationen zu vermeiden, die auf dem Unterschwingen äußerer TTL-Gates (Transistor-Transistor-Logik) beruhen. Es gibt zwei Methoden zur Erzeugung von Substratspannungen: eine besteht in der Steuerung des Pumpens durch Erfassung der Substratspannung, wenn sie stark vom vorherbestimmten Wert abweicht, während die andere in der Steuerung der Pumpkapazität durch Erfassung des Pegels der -Signale (Zeilenadress-Strobe) besteht.
Leider verschlechtert sich der konventionelle Substratspannungsgenerator bei hoher Temperatur, was zur Instabilität der Substratspannung führt. Insbesondere neigt im Falle der CMOS-Schaltungen (komplementärer MOS) die Latch-up-Charakteristik dazu, geschwächt zu werden. Diese Verschlechterung wird hauptsächlich durch einen im Substratspannungsgenerator befindlichen Oszillator verursacht. Das heißt, daß mit zunehmender Temperatur die Schwingungsfrequenz des Oszillators abnimmt, wodurch die Substratspannung verändert wird. Auch wird mit kleiner werdendem Halbleiterbauelement die Treiberkapazität des Substratspannungsgenerators verringert, so daß leicht Fehloperationen auftreten und die Zuverlässigkeit verschlechtert wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Substratspannungsgenerator zu schaffen, der durch Verbesserung der Treiberkapazität die Substratspannung stabilisiert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Substratspannungsgenerator zu schaffen, der im Bereitschaftszustand des Halbleiterbauelementes den Leistungsverbrauch verringert.
Es ist ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Substratspannungsgenerator zu schaffen, dessen Treiberkapazität nicht durch Temperaturschwankungen verändert wird, wodurch die Zuverlässigkeit verstärkt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Substratspannungsgenerator für ein Halbleiterbauelement geschaffen, das folgende Komponenten aufweist:
einen Oszillator zur Erzeugung eines schwingenden Signals, dessen Schwingungsperiode durch Kompensieren des Widerstandswertes entsprechend den Temperaturschwankungen nicht veränderbar ist;
einen Spannungspumptreiber zur Lieferung von zwei Taktsignalen durch Empfangen des Schwingungssignals des Oszillators, wobei die Signale eine Phasenverschiebung von 180° besitzen;
eine Spannungspumpe zur Erzeugung der Substratspannung durch Empfangen der Taktsignale des Spannungspumptreibers;
einen Pegeldetektor zum Liefern eines Taktsignals, wenn die Substratspannung nicht auf dem vorbestimmten Pegel bleibt; und
einen Oszillatortreiber zur Lieferung der Vorspannung des Oszillators entsprechend dem Taktsignal des Pegeldetektors.
Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht.
Fig. 1 stellt das Blockschaltbild einer Substratspannungsgeneratorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 2 stellt ein detailliertes Schaltbild des Oszillators gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 3 stellt ein detailliertes Schaltbild des Spannungspumptreibers gemäß der vorliegenden Erfindung dar;
Fig. 4 stellt ein detailliertes Schaltbild einer Ausführungsform dar, das die Spannungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 5 stellt ein detailliertes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform dar, das eine weitere Spannungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig. 6 stellt ein detailliertes Schaltbild eines oszillierenden Treibers gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
Fig. 7 stellt ein Wellenformdiagramm gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Substratspannungsgenerators gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Substratspannungsgenerator weist einen Oszillator 10, einen Spannungspumptreiber 20, eine Spannungspumpe 30, einen Pegeldetektor 40 und einen oszillierenden Treiber 50 auf. Der Oszillator 10 liefert ein vorbestimmtes Schwingungssignal ΦOSC, dessen Schwingungsperiode nicht durch die Temperatur veränderbar ist, da der Widerstandswert entsprechend der Temperaturschwankung kompensiert wird. Der Spannungspumptreiber 20 erzeugt zwei Taktsignale CK und als Antwort auf das empfangene Schwingungssignal ΦOSC. Die Spannungspumpe 30 erzeugt als Antwort auf die empfangenen beiden Taktsignale CK und eine negative Substratspannung VBB. Weiter erfaßt der Pegeldetektor 40 den Status der Substratspannung VBB, während der oszillierende Treiber 50 Vorspannungen VOP und VON liefert, wenn der erfaßte Pegel der Substratspannung VBB nicht erwünscht ist.
Fig. 2 veranschaulicht ein detailliertes Schaltbild des Oszillators 10 der Fig. 1. Gemäß Fig. 2 weist der Oszillator 10 eine Anzahl von n (ungerade Zahl) Invertern Il-In auf, die untereinander in Reihe geschaltet sind und einen Ringoszillator bilden. Weiter sind PMOS-Transistoren MP1-MPn und RP1-RNn jeweils zwischen Spannungsklemmen Vcc und die Inverter I1-In geschaltet, während NMOS-Transistoren MN1-MNn und RN1-RNn jeweils zwischen Erdungsklemmen und die Inverter I1-In geschaltet. Die Ausgangsspannung VTP des Oszillators 10 hält die Gatespannung nVTP entsprechend der Summe der Schwellenspannung VTP der PMOS-Transistoren MP1-MPn fest.
Der Absolutwert der Schwellenspannung VTP wird jedoch aufgrund des Temperaturanstiegs verringert, so daß die PMOS-Transistoren MP1-MPn fähig sind, aufgrund des Anstiegs der Gatespannung abgeschaltet werden können. Um daher die Änderung der Schwingungsperiode zu vermeiden, soll der Widerstandswert entsprechend dem Temperaturanstieg in der Weise kompensiert werden, daß die PMOS-Transistoren MP1-MPn zu den PMOS-Transistoren RP1-RPn liegen, die stets eingeschaltet sind, wobei deren Gates geerdet sind.
Wenn andererseits die NMOS-Transistoren MN1-MNn zwischen die Inverter I1-In und die Erdungsklemmen angeschlossen sind und die Gatespannungen auf Vcc-nT gehalten werden, können die NMOS-Transistoren MN1-MNn als Antwort auf das Ansteigen des Absolutwertes der Schwellenspannung V wegen des Temperaturanstiegs abgeschaltet werden. Um dieses Problem zu lösen, sollen die mit der Leistungsversorgung Vcc an ihren Gates in den MOS-Transistoren MN1-MNn parallel liegen.
Fig. 3 zeigt das detaillierte Schaltbild des Spannungspumptreibers 20 der Fig. 1. Der Spannungspumptreiber 20 weist folgende Komponenten auf: zwei Pufferinverter In+1 und In+2 zum Puffern des vom Oszillator 10 gelieferten Eingangspuffersignals ΦOSC; Verzögerungsmittel 25 zum Verzögern des von den Invertern In+1 und In+2 während einer vorbestimmten Periode gelieferten Ausgangssignals; und ODER- und NAND-Gates, die die Taktsignale CK und liefern. Wenn vom Oszillator 10 während einer vorbestimmten Periode ein hochpegeliger Impuls angelegt wird, wird er über die Pufferinverter In+1 und In+2 an die Verzögerungsmittel 25 und die einen Eingangsklemmen der ODER- und NAND-Gates angelegt. Weiter wird das von den Verzögerungsmitteln 25 gelieferte verzögerte Signal jeweils an die anderen Eingangsklemmen des ODER- und des NAND-Gates angelegt.
Dann liefert das ODER-Gate ein hochpegeliges Taktsignal CK, das an der ansteigenden Flanke des von den Invertern In+1 und In+2 gepufferten Signals ansteigt und an der abfallenden Flanke des Ausgangssignals der Verzögerungsmittel 25 abfällt. Weiter liefert das NAND-Gate ein niederpegeliges Taktsignal , das an der ansteigenden Flanke des Ausgangssignals der Verzögerungsschaltung 25 abfällt und an der abfallenden Flanke des durch die Inverter In+1 und In+2 gepufferten Signals ansteigt. Somit liefert das ODER-Gate ein Taktsignal CK, dessen hochliegendes Intervall durch die Verzögerungszeit der Verzögerungsmittel 25 gedehnt wird, und es liefert auch das Taktsignal mit einer Phasenverschiebung von 180° gegen das Taktsignal CK. Wenn weiter der Oszillator 10 ein niederpegeliges oszillierendes Signal ΦOSC liefert, gibt jedes ODER- und NAND-Gate die Taktsignale CK und in umgekehrter Weise ab.
Fig. 4 zeigt das detallierte Schaltbild der Spannungspumpe 30 gemäß Fig. 1. Die Spannungspumpe 30 umfaßt PMOS-Transistoren PM1-PM10. Die PMOS-Transistoren PM1-PM4 dienen durch Anlegen der Taktsignale CK und als Pumpkondensatoren. Die PMOS-Transistoren PM5 und PM10 dienen als Dioden, deren Sources mit einem Substratspannungsknoten 29 verbunden sind, und deren Gates und Drains ebenfalls gemeinsam mit Knoten 31 und 37 verbunden sind, die durch einen negativen Spannungswert gepumpt werden. Bei den Transistoren PM6 und PM9 sind die Sources an die Knoten 31 und 32 angeschlossen, die Drains geerdet, und die Gates mit den Gates der PMOS-Transistoren PM2 und PM3 verbunden, so daß der Substratstrom vom Substratspannungsknoten 39 an die Erdungsklemmen fließt. Bei den PMOS-Transistoren PM7 und PM8 sind die Gates und Sources gemeinsam an Erde gelegt, während die Drains an die Gates der PMOS-Transistoren PM6 und PM9 angeschlossen sind, so daß die Gatespannung gehindert wird, höher als die Schwellenspannung anzusteigen. Die PMOS-Transistoren PM1-PM4 bilden einen Kondensator in der Weise, daß ihre miteinander verbundenen Sources und Drains jeweils mit den Taktsignalen CK und beaufschlagt werden.
Wenn der Oszillator 10 ein hochpegeliges oszillierendes Signal ΦOSC liefert, liefert der Spannungspumptreiber 20 ein hochpegeliges Taktsignal CK sowie ein niederpegeliges Taktsignal CK, das für die Dauer einer vorbestimmten Periode verzögert ist, an die Spannungspumpe 30. Diese Taktsignale CK und CK werden an die PMOS-Transistoren PM1-PM4 angelegt, die als Pumpkapazitäten dienen. Somit nimmt das Potential an den Knoten 33 und 37 jeweils durch die Pumpkapazität der PMOS-Transistoren PM2 und PM4 einen negativen Wert -Vcc an. Weiter geht das Potential des Knotens 31 durch die PMOS-Transistoren PM1 und PM6 auf Erdpegel, während das Potential am Knoten 35 durch die PMOS-Transistoren PM3 und PM8 der Schwellenspannung VTP entspricht.
Dann wird der PMOS-Transistor PM10 eingeschaltet, so daß der vom Substratspannungsknoten abfließende Substratstrom im Knoten 37 gespeichert wird. Gleichzeitig wird der im Knoten 31 gespeicherte Substratstrom durch den PMOS-Transistor PM6 während der vorhergehenden Periode an Erde abgeleitet, während der das vom Oszillator gelieferte niederpegelige Signal ΦOSC durch den PMOS-Transistor PM6 an Erde geht.
Wenn weiter das oszillierende Signal ΦOSC auf niedrigem Pegel angelegt wird, liefert der Spannungspumptreiber 20 das niederpegelige Taktsignal CK und das hochpegelige Taktsignal .
Daraufhin wird der Substratstrom im Knoten 31 gespeichert, während der Substratstrom im Knoten 37 durch den PMOS-Transistor PM9 an Erde abgeleitet wird, wobei die Taktsignale CK und nicht auf einen niedrigen Pegel gebracht werden, selbst wenn der Status des oszillierenden Signals ΦOSC geändert wird. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Substratspannung VBB aufgrund der direkten Verbindung des Substratspannungsknotens 39 mit der Erdspannungsklemme einen positiven Spannungswert annimmt.
Wie erwähnt, wird die Spannungspumpschaltung durch die Taktsignale CK und derart angesteuert, daß der Pumpwirkungsgrad erhöht und die Substratspannung stabil gehalten wird. Weiter wird die unerwünschte Sperrwirkung (latch-up) verhindert, wenn die die PMOS-Transistoren PM1-PM10 umfassende Spannungspumpe 20 durch die CMOS-Technik mit N-Mulde realisiert wird.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Spannungspumpe 30 nach Fig. 1. Gemäß Fig. 5 werden die Taktsignale CK und an die Substratknoten der PMOS-Transistoren PM5-PM10 angelegt, mit Ausnahme der PMOS-Transistoren PM1-PM4, die jeweils als Pumpkondensatoren dienen.
Im einzelnen wird das Taktsignal CK an die Substrate der PMOS-Transistoren PM5, PM6 und PM8 angelegt, während das Taktsignal an die Substrate der PMOS-Transistoren PM7, PM9 und PM10 angelegt wird. Somit wird die EIN/AUS-Charakteristik der PMOS-Transistoren in der Weise verbessert, daß die Schwellenspannung im eingeschalteten Zustand verringert und im ausgeschalteten Zustand erhöht wird. Auf diese Weise wird der Pumpwirkungsgrad noch weiter verbessert.
Fig. 6 zeigt ein detailliertes Schaltbild des oszillierenden Treibers 50 der Fig. 1. Der oszillierende Treiber 50 ist an den Pegeldetektor 40 angeschlossen, so daß die Aktivierungssignale Φen und , welche vom Pegeldetektor 40, nach Erfassen des Pegels der Substratspannung VBB, an die Gates der PMOS- und PMOS-Transistoren (PM11, NM1) und (PM16, PN6) angelegt werden, die zusammen einen Inverter bilden. Die NMOS-Transistoren NM2 und NM3 sind zwischen den PMOS-Transistor PM11 und eine Ausgangsklemme angeschlossen und dienen als Dioden, während ein Vorspannwiderstand R1 zwischen den NMOS-Transistor NM1 und Erde geschaltet ist.
Weiter sind die als Dioden arbeitenden NMOS-Transistoren NM4 und NM5 zwischen die Leistungsversorgung und die Ausgangsklemme geschaltet, während ein Kondensator Cn zwischen die Ausgangsklemme und Erde geschaltet ist. Ein Widerstand R2 ist zwischen die Leistungsversorgung und den PMOS-Transistor PM16 geschaltet, während die PMOS-Transistoren PM12 und PM13 zwischen die Ausgangsklemme und den NMOS-Transistor NM6 geschaltet sind. Ferner sind die PMOS-Transistoren PM14 und PM15 in Reihe zwischen die Ausgangsklemme und Erde parallel zum Kondensator Cn+1 geschaltet.
Wenn der Knoten 39 des Spannungspumptreibers 30 nicht auf seinem gewünschten Pegel gehalten wird, nehmen die vom Pegeldetektor 40 gelieferten Taktsignale Φen und jeweils einen hohen und einen niedrigen Pegel an. Deshalb bewirken die Taktsignale Φen und das Einschalten des PMOS-Transistors PM11 und des NMOS-Transistors NM6 zum Anlegen der Vorspannungen Vo und Vop an den Oszillator 10 zu dessen Betätigung, wobei die Vorspannungen Vo und Vop folgende Werte besitzen: Vo = Vcc-2Vt und Vop = 2VTP. Die Vorspannung Vo entspricht der Schwellenspannung der NMOS-Transistoren NM2 und NM3, während die Vorspannung Vop der Schwellenspannung der PMOS-Transistoren PM12 und PM13 entspricht.
Wenn andererseits der Knoten 39 des Spannungspumptreibers 30 den gewünschten Pegel aufweist, geht jedes Taktsignal Φen und des Pegeldetektors 40 jeweils auf niedrigen und hohen Pegel. Darum bewirken die Taktsignale Φen und das Einschalten des NMOS-Transistors NM1 und des PMOS-Transistors PM10 zum Steuern der Vorspannungen VT und VT, derart, daß der Oszillator 10 nicht betätigt wird und der Knoten den gewünschten Pegel dauernd beibehält.
Die Fig. 7(A) bis 7(D) zeigen die Ausgangswellenform der jeweiligen Bestandteile des Substratspannungsgenerators. Fig. 7(A) zeigt ein Schwingungssignal ΦOSC, das vom Oszillator 10 geliefert wird. Fig. 7(B) zeigt ein Verzögerungssignal im Spannungspumptreiber 20.
Fig. 7(C) und Fig. 7(D) zeigen die vom Spannungspumptreiber 20 gelieferten Taktsignale CK und entsprechend der Kombination der in Fig. 7(C) und Fig. 7(D) gezeigten Signale. Bei den Taktsignalen CK und ist das hochgelegene Intervall um die Verzögerungszeit des Verzögerungsmittels 25 länger als das Schwingungssignal ΦOSC, während das tiefgelegene Intervall kürzer als das Schwingungssignal ΦOSC ist. Somit werden die Taktsignale CK und nicht zur gleichen Zeit auf niedrigen Pegelstand geändert. Weiter zeigen die Fig. 7(E) bis 7(H) die Wellenformen an den Knoten 31, 33, 35 und 37, wobei die Spannungen an den Knoten 31 und 37 nicht gleichzeitig niederpegelig werden, so daß die Substratspannung stabil gehalten wird.
Wie gesagt, läßt die vorliegende Erfindung die Treiberkapazität durch Kompensation des Widerstandswertes entsprechend der Temperaturschwankung unverändert, wodurch die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente verbessert und der Leistungsverbrauch im Bereitschaftszustand verringert wird.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, verschiedene Abänderungen der offenbarten Ausführungsform sowie andere Ausführungsformen der Erfindung liegen unter Bezugnahme auf die Erfindungsbeschreibung im Rahmen des fachmännischen Könnens. Es wird daher davon ausgegangen, daß die beigefügten Ansprüche jede solcher Änderungen oder Ausführungsformen als in den Rahmen der Erfindung fallend abdecken.

Claims (10)

1. Substratspannungsgenerator für ein Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Komponenten aufweist:
einen Oszillator zur Erzeugung eines schwingenden Signals, dessen Schwingungsperiode durch Kompensieren des Widerstandswertes entsprechend den Temperaturschwankungen nicht veränderbar ist;
einen Spannungspumptreiber zur Lieferung von zwei Taktsignalen durch Empfangen des Schwingungssignals des Oszillators, wobei die Signale eine Phasenverschiebung von 180° besitzen;
eine Spannungspumpe zur Erzeugung der Substratspannung durch Empfangen der Taktsignale des Spannungspumptreibers;
einen Pegeldetektor zum Liefern eines Taktsignals, wenn die Substratspannung nicht auf dem vorbestimmten Pegel bleibt; und
einen Oszillatortreiber zur Lieferung der Vorspannung des Oszillators entsprechend dem Taktsignal des Pegeldetektors.
2. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator eine Anzahl von n (ungerade Zahl) Invertern, ein Paar von PMOS-Transistoren, die zwischen die Spannungsversorgung und die Inverter geschaltet sind, und ein Paar von NMOS-Transistoren aufweist, die zwischen die Inverter und Erde geschaltet sind.
3. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die PMOS-Transistorenpaare p-leitend und die NMOS-Transistorenpaare n-leitend sind.
4. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungspumptreiber ein Puffermittel zum Puffern des schwingenden Signals des Oszillators, ein Verzögerungsmittel zum Verzögern des gepufferten Schwingungssignals während einer vorbestimmten Zeitdauer, und UND- und ODER-Logikmittel aufweist, die durch den Empfang der gepufferten und verzögerten Signale zwei Taktsignale liefern, die untereinander eine Phasenverschiebung von 180° besitzen.
5. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Spannungspumptreiber gelieferten Taktsignale während einer vorbestimmten Zeitdauer einen hohen Pegel halten, um zu verhindern, daß gleichzeitig ein niedriger Pegel entsteht.
6. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungspumpe folgende Komponenten aufweist:
erste bis vierte MOS-Transistoren zum Einsatz als Pumpkondensatoren, deren Sources und Drains zusammengeschaltet sind, um die vom Spannungspumptreiber gelieferten Taktsignale einzugeben;
MOS-Transistoren zum Einsatz als erste bis vierte Dioden, deren Drains und Gates mit den Gates der ersten und vierten MOS-Transistoren zusammengeschaltet und die Sources an den Substratspannungsknoten angeschlossen sind; wobei
die MOS-Transistoren zur Verwendung als erste und vierte Dioden mit den Sources an die Gates der ersten und vierten MOS-Transistoren angeschlossen, die Drains geerdet, und die Gates mit den Gates der zweiten und dritten MOS-Transistoren verbunden sind; und
wobei die MOS-Transistoren zur Verwendung als zweite und dritte Dioden mit den Drains an die Gates der zweiten und dritten MOS-Transistoren angeschlossen und die Sources geerdet sind.
7. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten bis vierten MOS-Transistoren zum Pumpen der Kondensatoren jeweils mit den Taktsignalen beaufschlagt werden.
8. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratknoten der Ruhe-MOS-Transistoren der ersten bis vierten MOS-Transistoren jeweils mit den Taktsignalen beaufschlagt werden.
9. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle MOS-Transistoren auf einer zweiten leitenden Mulde gebildet sind, die einem ersten Leitungstyp angehören.
10. Substratspannungsgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitungstyp ein p-Typ und der zweite Leitungstyp ein n-Typ ist.
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