JP2902804B2 - 基板バイアス電圧発生回路 - Google Patents

基板バイアス電圧発生回路

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JP2902804B2
JP2902804B2 JP3075156A JP7515691A JP2902804B2 JP 2902804 B2 JP2902804 B2 JP 2902804B2 JP 3075156 A JP3075156 A JP 3075156A JP 7515691 A JP7515691 A JP 7515691A JP 2902804 B2 JP2902804 B2 JP 2902804B2
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    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は基板バイアス電圧発生回
路に係わり、特に基板バイアス電圧を検知する回路を有
するものに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体記憶装置では、外部から入力され
た信号のアンダーシュートによって、寄生pn接合部が
順方向バイアスになるのを防止するため、またpn接合
部の空乏層を拡げて寄生容量を小さくして動作を高速化
するために、半導体基板に基板バイアス電圧を印加する
ことが行われている。
【0003】一方では、パーソナル・コンピュータ等の
OA機器の急速な普及に伴い、大容量で低価格な半導体
記憶装置が要求されるに至っている。容量が大きく価格
が安い半導体記憶装置としては、DRAM(Dynamic Ra
ndom Access Memory)が挙げられる。しかし、DRAM
はデータを保持するためにバックアップが必要である。
そして、電池によるバックアップを可能にするには、ス
タンバイ時における消費電流を低減させる必要がある。
DRAMにおいて、スタンバイ時に電流を消費する回路
は幾つか存在するが、なかでも基板バイアス電圧発生回
路の占める割合が大きい。そこで、基板バイアス電圧発
生回路の消費電流を低減させる必要がある。
【0004】従来の基板バイアス電圧発生回路は、図4
に示されるように、基板バイアス電圧検知回路11と基
板バイアス駆動回路2と電荷ポンプ回路3とを備えてい
た。基板バイアス電圧検知回路11はPチャネルトラン
ジスタP1とNチャネルトランジスタN1、インバータ
INV1〜INV4を有し、基板バイアス駆動回路2は
NAND回路NA1とインバータINV5〜7とを有し
ている。電荷ポンプ回路3は、容量CとNチャネルトラ
ンジスタN2及びN3とを有している。
【0005】基板バイアス電圧検知回路11において、
PチャネルトランジスタP1は電源電圧VDD端子にソー
スが接続され、ノードND1にドレインが接続され、ゲ
ートが接地電圧Vss端子に接続されている。このPチャ
ネルトランジスタP1と直列接続されたNチャネルトラ
ンジスタN1は、ドレインがノードND1に接続され、
ソースが基板バイアス電圧VBB端子に接続され、電源電
圧VDD端子にゲートが接続されている。このPチャネル
トランジスタP1及びNチャネルトランジスタN1は、
共にノーマリオン状態にある。
【0006】このノードND1にはインバータ列INV
1〜INV4の入力端が接続され、出力端はノードND
2に接続されている。
【0007】ノードND2には、基板バイアス駆動回路
2のNAND回路NA1の一方の入力端が接続されてお
り、その出力端はインバータ列INV5〜INV6の入
力端に接続されている。インバータ列INV5〜INV
6の出力端は、インバータINV7の入力端とNAND
回路NA1の他方の入力端とに接続されている。インバ
ータINV7の出力端はノードND3に接続されてい
る。
【0008】このノードND3には、電荷ポンプ回路3
の容量Cの一端が接続され、他端はノードND4に接続
されている。このノードND4には、Nチャネルトラン
ジスタN2のドレイン及びゲートが接続され、ソースは
接地電位Vss端子に接続されている。またNチャネルト
ランジスタN3は、ドレインとゲートが基板バイアス電
圧VBB端子に接続され、ソースはノードND4に接続さ
れている。さらに、NチャネルトランジスタN2及びN
3の基板端子は、共に基板バイアス電圧VBB端子に接続
されている。
【0009】先ず基板バイアス電圧検知回路11におい
て、PチャネルトランジスタP1とNチャネルトランジ
スタN1とのコンダクタンス比で電源電圧VDDと基板バ
イアス電圧VBBとの相対的な電位差が分割され、基板バ
イアス電圧VBBに応じた信号Φ0 がノードND1より出
力される。この信号Φ0 がインバータ列INV1〜IN
V4に入力される。インバータ列INV1〜INV4
は、信号Φ0 を遅延時間tdだけ遅延させた後、基板バ
イアス駆動回路2の動作を制御する制御信号Φ1 をノー
ドND2に出力する。ここで信号Φ0 を遅延させるの
は、例えば電源変動等により基板バイアス電圧VBBが変
化した場合にも誤動作しないようにノイズフィルタとし
て機能させるためであり、基板バイアス電圧検知回路1
1の動作を安定させることができる。
【0010】基板バイアス電圧検知回路11の静特性を
示すものとして、基板バイアス電圧VBBに対する信号Φ
0 及びΦ1 のレベルの変化を図5に示す。ここで点線で
示された信号Φ0 は、それぞれ電源電圧VDDが1Vおき
に3Vから6Vまで変化したときを示している。基板バ
イアス電圧VBBが深くなる方、即ち負の方へ向かうにつ
れて、NチャネルトランジスタN1はゲート電圧(VDD
−|VBB|)が大きくなってコンダクタンスも大きくな
り、信号Φ0 の電圧は徐々に低下していく。この電圧
が、インバータINV1の動作閾値Vth以上の間はイン
バータ列INV1〜INV4からハイレベルの信号Φ1
が出力され、動作閾値Vthよりも低くなるとロウレベル
の信号Φ1 が出力される。この図5において、電源電圧
DDが3Vの場合を例にとると、基板バイアス電圧検知
回路11としての動作閾値電圧に相当するVTM3 よりも
基板バイアス電圧VBBが浅い場合にはハイレベルの信号
Φ1 が出力され、VTM3 よりもVBBが深くなるとロウレ
ベルの信号Φ1 が出力される。電源電圧VDDが3Vより
も高いと、より低い動作閾値VTM4 〜VTM6 まで基板バ
イアス電圧VBBが深くならないと信号Φ1 はロウレベル
にならない。
【0011】基板バイアス電圧検知回路11から出力さ
れる信号Φ1 が、ハイレベルの場合に基板バイアス駆動
回路2は動作しロウレベルの場合には動作が停止する。
【0012】基板バイアス駆動回路2にハイレベルの信
号Φ1 が入力されると、NAND回路NA1及びインバ
ータ列INV5〜INV7による遅延時間を周期とする
パルス信号Φ4 がノードND3より出力される。信号Φ
1 がロウレベルの場合には、パルス信号Φ4 は出力され
ずロウレベルに保持される。
【0013】電荷ポンプ回路3に、図6(a)に示され
るようなパルス信号Φ4 が入力され、基板を接地電位
(VSS)に固定し、十分に時間がたって安定状態になっ
たときの動作は次のようである。Φ4 がロウレベル(接
地電位VSS)からハイレベル(電源電位VDD)に立ち上
がると、容量Cを介してノードND4から出力される信
号Φ5 の電位は、初期値(VSS−VTN3 )から同期して
上昇していく。ここで、VTN3 はNチャネルトランジス
タN3の閾値に相当する。この信号Φ5 は、(VSS−V
TN3 )からK・VDDだけ上昇する。ここで、Kは容量C
とノードND4に寄生する容量C1 とのカップリング比
であり、K=C/(C+C1 )として表される。
【0014】電荷ポンプ回路3の基板から電荷を汲み出
す能力を高めるためには、Kが大きくなるように1に近
付ける必要がある。そこで、容量Cの容量値を容量C1
に対して十分に大きくしておく。
【0015】そして、信号Φ5 が(VSS−VTN3 )+K
DDまで上昇すると、NチャネルトランジスタN2のゲ
ート電圧が上昇してオンする。これにより、容量Cに蓄
積された電荷が放電されていき、信号Φ5 の電位はNチ
ャネルトランジスタN2の閾値に相当する(VTN2 −V
SS)まで下降する。信号Φ4 がロウレベルに立ち下がる
と、信号Φ5 の電位は(VTN2 −VSS)を初期値として
KVDD分だけ同期して降下していく。Nチャネルトラン
ジスタN3がオンし、信号Φ5 の電位がこのトランジス
タN3の閾値に相当する(VSS−VTN3 )まで降下する
間、基板の電荷が容量Cに蓄積される。このように、N
チャネルトランジスタN2がオンしNチャネルトランジ
スタN3がオフする間、容量Cに蓄積された電荷が接地
電位端子に放電され(図6(c))、Nチャネルトラン
ジスタN2がオフしNチャネルトランジスタN3がオン
する間、容量Cに基板の電荷が蓄えられるという動作が
繰り返されて、基板バイアス電圧VBBが徐々に降下して
いく。
【0016】最終的に得られる基板バイアス電圧V
BBは、次の(1)式のように表される。
【0017】 VBB=−K・VDD+(VTN2 +VTN3 ) …(1) このような動作により、基板バイアス電圧発生回路の静
特性は図7のようである。基板バイアス駆動回路2から
パルス信号Φ4 が出力され、電荷ポンプ回路3は連続的
に動作する状態になる。基板バイアス電圧VBBは、電源
が投入されて電源電圧VDDがVTN2 +VTN3になった時
点から、この電位を初期値とし−K・VDDの傾きで線l
21のように降下していく。この連続動作状態では、スタ
ンバイ時における消費電流Iccは線l11のように電源電
圧VDDの増加と共に急峻に増加していく。
【0018】基板バイアス電圧VBBが基板バイアス電圧
検知回路11の動作閾値VTM3 まで低下すると、信号Φ
1 がロウレベルになり基板バイアス駆動回路2はパルス
信号Φ4 を出力しなくなる。これにより、電荷ポンプ回
路3は断続的に動作状態と停止状態とを繰り返す断続動
作状態になる。
【0019】この断続動作状態について、図8を用いて
説明する。時点t11より基板バイアス電圧VBBが降下し
ていくにつれて、基板バイアス電圧検知回路11の信号
Φ0 も徐々に低下していく。この信号Φ0 の電位がイン
バータINV1の回路閾値VTNよりも低下すると、イン
バータ列INV1〜INV4がもたらす遅延時間tdを
経過した時点t12において、信号Φ1 はロウレベルにな
る。基板バイアス駆動回路2からはパルス信号Φ4 は出
力されなくなり、電荷ポンプ回路3は動作を停止する。
【0020】電荷ポンプ回路3の動作が時点t12より停
止すると、トランジスタの基板に流れる電流や基板バイ
アス電圧検知回路11に発生する貫通電流等により、基
板に電荷が充電されて基板バイアス電圧VBBは上昇して
いく。ここで、スタンバイ時におけるリーク電流は、基
板バイアス電圧検知回路11内の基板への貫通電流によ
るものが最も大きい。
【0021】基板バイアス電圧VBBが上昇し、基板バイ
アス電圧検知回路11の信号Φ0 がインバータINV1
の閾値VTNを超えると、遅延時間tdを経て時点t13に
おいて信号Φ1 はハイレベルになる。基板バイアス駆動
回路2から再びパルス信号Φ4 が出力され、電荷ポンプ
回路3は動作状態になって、基板バイアス電圧VBBは降
下していく。
【0022】このように、基板バイアス電圧検知回路の
動作閾値を実使用電源範囲以下に設定しておくことによ
り、基板バイアス電圧VBBを基板バイアス電圧検知回路
11が検知し、基板バイアス駆動回路2及び電荷ポンプ
回路3が動作状態と停止状態とを間欠的に繰り返すこと
になる。この結果、消費電流は分散され、平均した消費
電流Iccは図7の線l12に示されたように低減される。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】ここで、スタンバイ時
における消費電流を低減させるためには、断続動作状態
において基板バイアス駆動回路2及び電荷ポンプ回路3
が動作を停止している期間、即ち図8における時点t12
からt13までを長くする必要がある。ところが、スタン
バイ時における停止期間の長さは、基板バイアス電圧検
知回路11における基板への貫通電流Ileakでほぼ決定
される。即ち、基板電圧発生回路が自ら無駄な貫通電流
を生じさせており、消費電流の低減化に支障をきたして
いた。因みに、貫通電流Ileakは図9に示されるよう
に、電源電圧VDDの増加と共に増加する関係にある。
【0024】また、断続動作状態における消費電流Icc
は、基板から汲み出される電荷量と基板へリークする電
荷量との比に依存する。従って、基板バイアス電圧検知
回路11における貫通電流は、直接的に消費電流の増加
をもたらすだけでなく、間接的に基板バイアス電圧発生
回路の平均消費電流の増加をもたらしていた。
【0025】本発明は上記事情に鑑みてなされてもので
あり、消費電流を低減化し得る基板バイアス電圧発生回
路を提供することを目的とする。
【0026】
【課題を解決するための手段】本発明の基板バイアス電
圧発生回路は、半導体基板に印加された基板バイアス電
圧を検知し、基板バイアス電圧検知信号を出力する基板
バイアス電圧検知回路と、基板バイアス電圧検知回路か
ら出力された基板バイアス電圧検知信号を与えられ、基
板バイアス電圧の絶対値が所定値以下の場合には駆動信
号を出力し、基板バイアス電圧の絶対値が所定値よりも
高い場合には駆動信号の出力を停止する基板バイアス駆
動回路と、基板バイアス駆動回路から駆動信号を与えら
れると、基板バイアス電圧を発生する電荷ポンプ回路と
を備え、基板バイアス電圧検知回路は、一端が電源電圧
端子に接続された負荷素子と、負荷素子の他端にソース
が接続され、接地電圧端子にドレインが接続され、ゲー
トに基板バイアス電圧が供給されるPチャネルトランジ
スタと、負荷素子の他端とPチャネルトランジスタのソ
ースとを接続するノードに入力端子が接続され、出力端
子から基板バイアス電圧検知信号を出力する少なくとも
1つのインバータとを有し、Pチャネルトランジスタの
ゲートと、インバータを構成するNチャネルトランジス
タのバックバイアス電圧を印加される基板端子が半導体
基板と接続されていることを特徴としている。
【0027】ここで、負荷素子がNチャネルトランジス
タで構成されている場合は、このNチャネルトランジス
タのバックバイアス電圧を印加される基板端子が半導体
基板と接続されている。
【0028】
【作用】基板バイアス電圧発生回路のスタンバイ時にお
ける消費電流は、基板バイアス電圧検知回路の半導体基
板にリークする貫通電流により支配されるが、本発明の
基板バイアス電圧検知回路を構成する半導体素子は、P
チャネルトランジスタのゲートとNチャネルトランジス
タのバックバイアス電圧を印加される基板端子が半導体
基板と接続されているため、貫通電流は接地電位端子に
流れて基板バイアス電位端子を介して半導体基板へはほ
とんど流れず、消費電流が大幅に低減される。
【0029】このことは、基板バイアス電圧検知回路に
おける負荷素子がNチャネル形MOSトランジスタで構
成され、このトランジスタのバックバイアス電圧を印加
される基板端子が半導体基板と接続されている場合も同
様である。
【0030】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図1に本実施例による基板バイアス電圧
発生回路の構成を示す。図4に示された従来の回路と比
較し、基板バイアス電圧検知回路11におけるNチャネ
ルトランジスタN1が、PチャネルトランジスタP2に
置き換わった点が異なっている。このPチャネルトラン
ジスタP2は、ソースはノードND1にドレインは接地
端子Vssに接続され、ゲートは基板バイアス電圧VBB
子に接続されている。このように、本実施例の基板バイ
アス電圧検知回路1は、構成している半導体素子のう
ち、PチャネルトランジスタP2のゲートと、Nチャネ
ルトランジスタのバックバイアス電圧を印加される基板
端子のみが半導体基板と接続されている点に特徴があ
る。Nチャネルトランジスタは、図1には直接表されて
はいないが、インバータ列INV1〜INV4をCMO
Sで構成した場合のNチャネルトランジスタや、Pチャ
ネルトランジスタP1をNチャネルトランジスタに置き
換えた場合には存在する。
【0031】基板バイアス電圧検知回路1において、基
板バイアス電圧VBBが低下していくと、従来の回路11
におけるNチャネルトランジスタN1と同様にPチャネ
ルトランジスタP2のコンダクタンスが増加していく。
これにより、このPチャネルトランジスタP2は基板バ
イアス電圧VBBに応じて可変抵抗のように動作する。こ
こでPチャネルトランジスタP2は、従来の基板バイア
ス電圧検知回路11と同様に動作するように、そのサイ
ズが調整されている必要がある。
【0032】この結果、PチャネルトランジスタP1と
P2とのコンダクタンス比で決定される電圧を有する信
号Φ0 がノードND1から出力され、インバータ列IN
V1〜INV4に与えられる。インバータ列INV1〜
INV4からは信号Φ1 が出力され、基板バイアス駆動
回路2に与えられる。以降の基板バイアス駆動回路2及
び電荷ポンプ回路3の回路動作は、従来の場合と同様で
ある。
【0033】基板バイアス電圧検知回路1においてスタ
ンバイ時に消費される電流は、従来の基板バイアス電圧
検知回路11よりも大幅に減少する。上述したように、
スタンバイ時の消費電流は基板への貫通電流により支配
される。ところが、この貫通電流は電源電圧VDD端子よ
りPチャネルトランジスタP1及びP2を通過し、接地
電位Vss端子に流れる。このため、従来の基板バイアス
電圧検知回路11のように基板バイアス電圧VBB端子を
経て半導体基板へは貫通電流が流れ込まない。
【0034】この結果、図2に示されるように電荷ポン
プ回路3が断続動作状態のときにおける、時点t2から
時点t3までの停止期間の周期が長くなる。これによ
り、基板バイアス電圧発生回路の消費電流は分散され
て、平均した消費電流は低減されることになる。
【0035】上述した実施例は一例であり、本発明を限
定するものではなく種々の変形が可能である。例えば、
基板バイアス電圧検知回路は図3に示されるような構成
を供えた回路に置き換えることができる。図1の基板バ
イアス電圧検知回路1と比較し、Pチャネルトランジス
タP1を抵抗Rに置き換えた点が相違する。この抵抗R
は電源電圧VDD端子とノードND1との間に接続されて
おり、PチャネルトランジスタP1と同様に機能する。
即ち、電源電圧VDD端子とノードND1との間は負荷素
子であればよい。ここで、抵抗Rの抵抗値とPチャネル
トランジスタP2のサイズは、コンダクタンス比が所望
の値となるように調整しておく必要がある。そして、負
荷素子のコンダクタンスが小さいほど、電源電圧VDD
子から接地電圧VSS端子へ流れる貫通電流を小さく抑制
することができ、よりスタンバイ時における消費電流を
低減させることができる。
【0036】また、基板バイアス電圧検知回路におい
て、上述の実施例はいずれもドライバ回路に相当する部
分はPチャネルトランジスタP2のみから成っている
が、このPチャネルトランジスタ以外の素子を含んでい
てもよい。例えば、PチャネルトランジスタP2のドレ
インと接地電位Vss端子との間に、Nチャネルトランジ
スタを接続してもよい。この場合には、Nチャネルトラ
ンジスタのドレインがPチャネルトランジスタP2のド
レインに、ソースが接地電位Vss端子に接続され、ゲー
トには電源電位VDDが供給されてノーマリオン状態とな
る。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように本発明の基板バイア
ス電圧発生回路は、基板バイアス電圧検知回路を構成す
る半導体素子がPチャネルトランジスタのゲートとNチ
ャネルトランジスタのバックバイアス電圧を印加される
基板端子が半導体基板と接続されており、貫通電流がほ
とんど半導体基板に流れないため、スタンバイ時におけ
る消費電流を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による基板バイアス電圧発生
回路の構成を示した回路図。
【図2】同基板バイアス電圧発生回路が断続動作状態に
あるときの動作波形を示すタイミングチャート。
【図3】本発明の他の実施例による基板バイアス電圧発
生回路における基板バイアス電圧検知回路の構成を示し
た回路図。
【図4】従来の基板バイアス電圧発生回路の構成を示し
た回路図。
【図5】同基板バイアス電圧発生回路における基板バイ
アス電圧検知回路の基板バイアス電圧に対する静特性を
示した説明図。
【図6】同基板バイアス電圧発生回路における電荷ポン
プ回路の動作波形を示したタイミングチャート。
【図7】同基板バイアス電圧発生回路における電源電圧
に対する消費電流及び基板バイアス電圧の変化を示した
動特性図。
【図8】同基板バイアス電圧発生回路が断続動作状態に
あるときの動作波形を示すタイミングチャート。
【図9】同基板バイアス電圧発生回路における基板バイ
アス電圧検知回路の基板バイアス電圧と基板への貫通電
流との関係を示した動特性図。
【符号の説明】
1 基板バイアス電圧検知回路 2 基板バイアス駆動回路 3 電荷ポンプ回路 P1,P2 Pチャネルトランジスタ INV1〜INV7 インバータ NA1 NAND回路 C 容量 N1〜N3 Nチャネルトランジスタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−23659(JP,A) 特開 平2−121188(JP,A) 特開 平2−237144(JP,A) 特開 平2−156499(JP,A) 特開 昭57−199335(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に印加された基板バイアス電圧
    を検知し、基板バイアス電圧検知信号を出力する基板バ
    イアス電圧検知回路と、 前記基板バイアス電圧検知回路から出力された前記基板
    バイアス電圧検知信号を与えられ、前記基板バイアス電
    圧の絶対値が所定値以下の場合には駆動信号を出力し、
    前記基板バイアス電圧の絶対値が所定値よりも高い場合
    には前記駆動信号の出力を停止する基板バイアス駆動回
    路と、 前記基板バイアス駆動回路から前記駆動信号を与えられ
    ると、前記基板バイアス電圧を発生する電荷ポンプ回路
    とを備え、 前記基板バイアス電圧検知回路は、 一端が電源電圧端子に接続された負荷素子と、 前記負荷素子の他端にソースが接続され、接地電圧端子
    にドレインが接続され、ゲートに基板バイアス電圧が供
    給されるPチャネルトランジスタと、 前記負荷素子の前記他端と前記Pチャネルトランジスタ
    のソースとを接続するノードに入力端子が接続され、出
    力端子から前記基板バイアス電圧検知信号を出力する少
    なくとも1つのインバータとを有し、 前記Pチャネルトランジスタのゲートと、前記インバー
    タを構成するNチャネルトランジスタのバックバイアス
    電圧を印加される基板端子が半導体基板と接続されてい
    ることを特徴とする基板バイアス電圧発生回路。
  2. 【請求項2】前記負荷素子がNチャネルトランジスタで
    構成されている場合は、このNチャネルトランジスタの
    バックバイアス電圧を印加される基板端子が半導体基板
    と接続されていることを特徴とする基板バイアス電圧発
    生回路。
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