KR20010004665A - 고전압 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 메모리소자에서 전원전압보다 높은 고전압을 발생시키는데 사용되는 고전압 발생기에 관한 것으로, 특히 부스팅노드에 고전압을 유기시키는 모스 캐패시터의 게이트 소오스간 전위차를 발진 회로부로부터 타이밍 제어되어 발생되는 펄스 제어신호에 따라 변화시키므로써 상기 부스팅노드의 전위 변화폭을 대폭 감소시켜 저전력소모에 의한 펌핑효율의 극대화를 실현하도록 한 고전압 발생기에 관한 것이다.

Description

고전압 발생기{High level voltage generator}

본 발명은 반도체 메모리소자에서 전원전압보다 높은 고전압을 발생시키는데 사용되는 고전압 발생기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부스팅노드에 고전압을 유기시키는 모스 캐패시터의 게이트 소오스간 전위차를 변화시켜 그 전위하강 정도를 크게 감소시키므로써 저전력소모에 의한 펌핑효율의 극대화를 실현한 고전압 발생기에 관한 것이다.

일반적으로, 고전압 발생기에 의해 발생되는 고전압(Vpp) 펄스는 트랜지스터의 문턱전위 손실(threshold voltage loss: Vt loss)을 보상하도록 Vcc + Vt이상의 전위레벨을 유지하게 되는데, 이러한 특성으로 인해 디램(DRAM) 등의 메모리회로 분야 - 특히, 워드라인 드라이버와 비트라인 분리회로 및 데이타 출력버퍼-에서 많이 사용되어 진다.

도 1 은 종래에 사용된 고전압 발생기의 블럭 구성도를 나타낸 것으로, 출력단으로부터 피드백되어 입력되는 고전압의 전위레벨을 감지하여 그 전위레벨이 일정전압 이하로 떨어지게 되는 경우 펌프 인에이블신호(pump_en)를 발생시키는 전위감지 회로부(100)와, 상기 펌프 인에이블신호(pump_en)를 전달받아 일정주기의 펄스신호(osc)를 발생시키는 발진 회로부(200)와, 상기 펄스신호(osc)를 전달받아 타이밍이 조절된 각각의 펄스 제어신호(p1, p2, g1, g2)를 발생시키는 제어신호 발생 회로부(300)와, 상기 제어신호(p1, p2, g1, g2)의 상태에 따라 펌핑동작을 수행하여 고전압(Vpp)의 전위를 조절하는 펌핑 회로부(400)를 구비하여 구성된다.

도 2 는 도 1 에 도시된 펌핑 회로부(400)의 일 실시예를 나타낸 상세 회로도로, 상기 제어신호 발생 회로부(300)로부터 발생된 제1 펄스신호(g1, g2)의 제어하에 양측 프리차지노드(N3, N4)를 선택적으로 외부 전원전압(Vext) 수준으로 프리차지시키는 프리차지수단(10)과; 상기 양측 프리차지 노드(N3, N4)의 전위레벨에 따라 선택적으로 스위칭되어 양측 부스팅노드(N1, N2)와의 연결을 각각 제어하는 스위칭수단(20)과; 상기 제1 펄스신호(g1, g2)와는 다른 타이밍을 갖고 상기 제어신호 발생 회로부(300)로부터 발생되는 제2 펄스신호(p1, p2: 두 신호는 상호 180。 위상차를 갖고 발생되는 신호이다)의 제어하에 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)를 선택적으로 고전압(Vpp)수준으로 부스팅시키는 부스팅수단(30)을 구비하여 구성된다.

상기 프리차지수단(10)은 상기 제1 펄스신호(g1, g2)가 각기 다른 타이밍으로 각각의 소오스 및 드레인단으로 인가되며 게이트단이 상기 양측 프리차지노드(N3, N4)에 접속된 각각의 모스 캐패시터(C1, C2)와, 외부 전원전압(Vext) 인가단과 상기 양측 프리차지노드(N3, N4) 각각의 사이에 다이오드형으로 접속된 각각의 엔모스 트랜지스터(MN1, MN2)와, 상기 외부 전원전압(Vext) 인가단과 상기 양측 프리차지노드(N3, N4)의 사이에 상호 크로스 커플구조로 상기 두 엔모스 트랜지스터(MN1, MN2)와 각각 병렬로 접속된 각각의 엔모스 트랜지스터(MN3, MN4)로 구성된다.

또한, 상기 스위칭수단(20)은 각각의 게이트단이 상기 양측 프리차지노드(N3, N4)에 접속되며 상기 외부 전원전압(Vext) 인가단과 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)의 사이에 접속된 각각의 엔모스 트랜지스터(MN5, MN6)로 구성된다.

한편, 상기 부스팅수단(30)은 상기 제2 펄스신호(p1, p2)가 상호 180。위상차를 보이며 각각의 소오스 및 드레인단으로 인가되며, 게이트단이 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)에 접속된 각각의 모스 캐패시터(C3, C4)와; 외부 전원전압(Vext) 인가단과 고전압(Vpp) 발생단 사이에 다이오드형으로 접속된 엔모스 트랜지스터(MN7)와; 상기 고전압(Vpp) 발생단과 양측 부스팅노드(N1, N2) 사이에 상호 크로스 커플구조로 연결된 두 피모스 트랜지스터(MP1, MP2)와; 상기 고전압(Vpp) 인가단과 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)의 사이에 각각 상호 직렬로 접속되며, 각각의 게이트단으로는 상기 양측 부스팅노드9N1, N2)와 상기 고전압 인가단이 각각 접속된 양측 두 피모스 트랜지스터(MP3와 PM4, MP5와 MP6)로 구성된다.

도 3 은 도 2 에 도시된 펌핑 회로부 각부의 신호 파형도를 나타낸 것으로, 동 도면을 참조하며 고전압 펌핑동작에 대해 살펴보기로 한다.

간단한 설명을 위해, 일측 프리차지노드(N3) 및 부스팅노드(N1)에 대해서만 동작설명을 진행하기로 한다.

우선, t1 시점에서와 같이 (b)에 도시된 펄스신호(g1)가 '로우'에서 '하이'로 천이되면, 프리차지노드(N3)에 고전압이 유기되어지면서 스위칭수단(20)내 엔모스 트랜지스터(MN5)가 턴-온되어 일측 부스팅노드(N1)의 전위를 외부 전원전압(Vext) 수준으로 프리차지하게 된다.

이 상태에서, (a)에 도시된 바와 같이 펄스신호(p1)를 '로우'에서 '하이'로 천이시키게 되면 상기 부스팅노드(N1)는 모스 캐패시터(C3)의 커플링에 의해 고전압으로 유기되어진다. 상기 부스팅노드(N1)에 유기된 고전압이 피모스 트랜지스터(MP1)에 의해 고전압(Vpp) 발생단으로 전달되어 고전압으로 높여준다.

이 후, 상기 펄스신호(p1)가 '하이'에서 '로우'로 천이되면, 부스팅노드(N1)의전위는 상기 펄스신호(p1)에 커플링되어 전위가 떨어지고, 이 떨어진 전위를 다시 프리차지수단(10)이 외부 전원전압(Vext)으로 전하를 보충해 준다.

이와 같은 동작을 (a)와 (c)에 각각 도시된 두 펄스신호(p1, p2)가 교대로 반복하여 고전압의 전위를 높여주게 되는 것이다.

상기 동작에 의해 고전압을 발생시키는 종래기술에서는 고전압 펌핑을 제어하는 두 펄스신호(p1, p2)가 '하이'에서 '로우'로 떨어질 때, 이들 신호 인가단과 각각의 부스팅노드(N1, N2) 사이에 구비한 모스 캐패시터(C3, C4)의 캐패시턴스가 크게 형성되기 때문에, 각 부스팅노드(N1, N2)의 전위하강폭이 이에따라 커지게 되는 문제점이 발생한다.

이와 같은 현상은 부스팅 노드의 전위를 일정 전위수준으로 프리차지시키기위해 요구되는 전력의 소모를 증가시키게 되는 부차적인 문제점을 유발한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 부스팅노드에 고전압을 유기시키는 모스 캐패시터의 게이트 소오스간 전위차를 변화시켜 그 전위하강 정도를 크게 감소시키므로써 저전력소모에 의한 펌핑효율의 극대화를 실현한 고전압 발생기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 고전압 발생기는 제1 펄스신호의 제어하에 양측 프리차지노드를 선택적으로 외부 전원전압 수준으로 프리차지시키는 프리차지수단과,

상기 양측 프리차지 노드의 전위레벨에 따라 선택적으로 스위칭되어 양측 부스팅노드와의 연결을 각각 제어하는 스위칭수단과,

상기 제1 펄스신호와는 다른 타이밍을 갖고 발생되는 제2 펄스신호의 제어하에 상기 양측 부스팅노드를 선택적으로 고전압수준으로 부스팅시키는 부스팅수단과,

상기 제1 펄스신호가 천이되기 이전에 발생되는 제3 펄스신호의 제어하에 상기 양측 부스팅노드를 선택적으로 연결시켜 두 부스팅노드간의 전하분배에 따라 각 부스팅노드의 전위변화폭을 감소시키도록 제어하는 부스팅노드 연결수단을 구비하며;

상기 제1 내지 제3 펄스신호는 고전압 펌핑제어를 위해 오실레이터로부터 발생된 펄스신호를 각기 다른 출력 타이밍을 갖고 발생시킨 펄스신호인 것을 특징으로 한다.

도 1 은 종래에 사용된 고전압 발생기의 블럭 구성도

도 2 는 도 1 에 도시된 펌핑 회로부의 일 실시예를 나타낸 상세 회로도

도 3 은 도 2 에 도시된 펌핑 회로부 각부의 신호 파형도

도 4 는 본 발명에 따른 고전압 발생기의 블럭 구성도

도 5 는 도 4 에 도시된 펌핑 회로부의 일 실시예를 나타낸 상세 회로도

도 6 은 도 5 에 도시된 모스 캐패시터의 게이트 소오스간 전위변화에 따른 캐패시턴스의 변화 그래프

도 7 은 도 5 에 도시된 펌핑 회로부 각부의 신호 파형도

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

10: 프리차지수단 20: 스위칭수단

30: 부스팅수단 40: 부스팅노드 연결수단

100: 전위감지 회로부 200: 발진 회로부

300, 310: 제어신호 발생부 400, 410: 펌핑 회로부

상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명에 따른 고전압 발생기의 블럭 구성도를 나타낸 것으로, 출력단으로부터 피드백되어 입력되는 고전압(Vpp)의 전위레벨을 감지하여 그 전위레벨이 일정전압 이하로 떨어지게 되는 경우 펌프 인에이블신호(pump_en)를 발생시키는 전위감지 회로부(100)와, 상기 펌프 인에이블신호(pump_en)를 전달받아 일정주기의 펄스신호(osc)를 발생시키는 발진 회로부(200)와, 상기 펄스신호(osc)를 전달받아 타이밍이 조절된 각각의 펄스 제어신호(p1, p2, con1, con2, g1, g2)를 발생시키는 제어신호 발생 회로부(310)와, 상기 각각의 제어신호(p1, p2, con1, con2, g1, g2)의 상태에 따라 펌핑동작을 수행하여 고전압(Vpp)의 전위를 조절하는 펌핑 회로부(410)를 구비하여 구성된다.

본 발명에 따른 고전압 발생기는 상기 제어신호 발생 회로부(310)에서 후단에 연결된 펌핑 회로부(410)의 동작 제어를 위한 별도의 펄스 제어신호(con1, con2)를 추가로 발생시키게 되면, 이를 후단의 펌핑 회로부(410)가 전달받아 고전압 펌핑에 이용하게 된다.

도 5 는 도 4 에 도시된 펌핑 회로부의 일 실시예를 나타낸 상세 회로도로, 상기 제어신호 발생 회로부(310)로부터 발생된 제1 펄스신호(g1, g2)의 제어하에 양측 프리차지노드(N3, N4)를 선택적으로 외부 전원전압(Vext) 수준으로 프리차지시키는 프리차지수단(10)과; 상기 양측 프리차지 노드(N3, N4)의 전위레벨에 따라 선택적으로 스위칭되어 양측 부스팅노드(N1, N2)와의 연결을 각각 제어하는 스위칭수단(20)과; 상기 제1 펄스신호(g1, g2)와는 다른 타이밍을 갖고 상기 제어신호 발생 회로부(310)로부터 발생되는 제2 펄스신호(p1, p2: 두 신호는 상호 180。 위상차를 갖고 발생되는 신호이다)의 제어하에 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)를 선택적으로 고전압(Vpp)수준으로 부스팅시키는 부스팅수단(30)과; 상기 제2 펄스신호(p1, p2)가 천이되기 이전에 발생되는 제3 펄스신호(con1, con2)의 제어하에 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)를 선택적으로 연결시켜 두 부스팅노드(N1, N2)간의 전하분배에 따라 각 부스팅노드(N1, N2)의 전위변화폭을 감소시키도록 제어하는 부스팅노드 연결수단(40)을 구비하여 구성된다.

상기 프리차지수단(10)과 스위칭수단(20) 및 부스팅수단(30)의 구성 및 동작은 도 2에 도시된 종래기술에서와 동일하기 때문에 설명의 중복을 피하기 위해 생략하기로 하며, 이하의 설명은 상기 부스팅노드 연결수단(40)에 초점을 맞추어 진행하기로 한다.

우선, 상기 부스팅노드 연결수단(40)은 상기 양측 부스팅노드(N1, N2)의 사이에 각각 접속된 제1 및 제2 스위칭부(MN12, MN13)와; 상기 제3 펄스신호(con1, con2: 이들 신호는 상기 제2 펄스신호(p1, p2)의 천이되기 이전에 발생되는 펄스신호임)의 제어하에 상기 제1 및 제2 스위칭부(Mn12, MN13)로 고전압을 선택적으로 유기시켜 양측 부스팅노드(N1, N2)의 연결을 제어하는 제1 및 제2 연결 제어부(C5, C6)와; 상기 제1 및 제2 연결 제어부(C5, C6)의 출력단(N5, N6) 전위를 외부 전원전압(Vext) 수준으로 프리차지시키는 프리차지부(1)를 구비한다.

동 도면의 경우, 상기 제1 및 제2 스위칭부는 각각 엔모스 트랜지스터(MN12, MN13)로 구성된다.

또한, 상기 제1 및 제2 연결 제어부는 상기 제3 펄스신호(con1, con2)가 각각의 소오스 및 드레인단으로 인가되며, 그 게이트단이 상기 제1 및 제2 스위칭부를 구성하는 엔모스 트랜지스터(MN12, MN13) 각각의 게이트단으로 접속된 제1 및 제2 모스 캐패시터(C5, C6)로 구성된다.

한편, 상기 프리차지부(1)는 외부 전원전압(Vext) 인가단과 상기 제1 및 제2 연결 제어부를 구성하는 모스 캐패시터(C5, C6)의 게이트단(N5, N6) 사이에 다이오드형으로 접속된 각각의 엔모스 트랜지스터(MN8, MN9)와, 상기 외부 전원전압(Vext) 인가단과 상기 두 노드(N5, N6)의 사이에 상호 크로스 커플구조로 상기 엔모스 트랜지스터(MN8, MN9)와 병렬로 접속된 각각의 엔모스 트랜지스터9MN10, MN11)로 구성된다.

도 6 은 도 5 에 도시된 모스 캐패시터의 게이트 소오스간 전위변화에 따른 캐패시턴스의 변화 그래프를 나타낸 것으로, 모스 캐패시터의 캐패시턴스성분은 게이트 소오스간 전위차(Vgs)가 문턱전위(Vt) 근방에서 극소화되는 것을 동 도면을 통해 알 수 있다.

본 발명은 이 원리를 이용하여 부스팅수단(30)내 모스 캐패시터들(C3, C4)의 게이트 소오스간 전위차(Vgs)를 조절하여 캐패시턴스성분을 감소시키므로써, 펌핑 제어용 펄스신호(p1, p2)의 천이로 인한 양측 부스팅노드(N1, N2)의 전위변화폭을 감소시켜 변화된 전위를 복구하는데 요구되는 전력소모를 극소화시킨 고전압 발생기가 된다.

도 7 은 도 5 에 도시된 펌핑 회로부 각부의 신호 파형도를 나타낸 것으로, 동 도면을 참조하며 본 발명의 동작을 자세히 살펴보기로 한다.

우선, (a)에 도시된 바와 같은 신호파형을 갖고 인가되는 제2 펄스신호(p1)에 의해 고전압으로 유기된 부스팅노드(N1)의 전위는 (g)에 도시된 바와 같은 전위를 보이며 고전압 발생단으로 전달되어 고전압의 전위를 레벨-업시키게 된다.

이 후, 상기 (c)에 도시된 바와 같이 제3 펄스신호(con1)를 (a)에 도시된 제2 펄스신호(p1)가 '하이'에서 '로우'로 천이되기 이전에 타이밍을 조절하여 발생시키므로써, 상기 모스 캐패시터(C5)의 출력단(N5) 전위를 고전압으로 유기시도록 제어한다.

이에따라, 부스팅노드 연결수단(40)내 스위칭소자인 엔모스 트랜지스터(MN12)를 턴-온시키므로써, 양측 부스팅노드(N1, N2)를 연결시키게 된다.

따라서, 상대적으로 고전위수준을 유지하는 부스팅노드(N1)의 전위가 상대적으로 저전위수준을 유지하는 타 부스팅노드(N2)로 흐르게 되어 (g)와 (i)에 도시된 바와 같이 부스팅노드(N1)의 전위는 일정전위만큼 낮아지고 타 부스팅노드(N2)의 전위는 상기 부스팅노드(N1)의 전위가 낮아진만큼 높아지게 된다.

상기 부스팅노드(N1)의 전위가 낮아진 관계로 이에 연결된 모스 캐패시터(C3)의 게이트 소오스간 전위차(Vgs)를 낮출 수 있게 되며, 이에따라 캐패시턴스성분도 작아지게 된다.

결과적으로, 상기 제2 펄스신호(p1)가 '하이'에서 '로우'로 천이될 때, 부스팅노드(N1)의 전위가 하강하는 변화폭이 작아져 이를 다시 외부 전원전압(Vext)에 의해 프리차지해야하는 전류양을 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 동작은 (f)에 도시된 타측 제3 펄스신호(con2)가 인가되어질 때에도 동일하게 수행되어져 고전압 펌핑동작을 효율적으로 수행하게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명에 따른 고전압 발생기에 의하면, 고전압 펌핑효율이 향상되어 고전압의 발생시 소모되는 외부전력의 양을 대폭 감소시킬 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있다. 즉, 디바이스에서 사용하는 전체 파워양을 감소시켜 저전력제품을 만드는 데에 기여할 수 있게 된다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. 제1 펄스신호의 제어하에 양측 프리차지노드를 선택적으로 외부 전원전압 수준으로 프리차지시키는 프리차지수단과,

   상기 양측 프리차지 노드의 전위레벨에 따라 선택적으로 스위칭되어 양측 부스팅노드와의 연결을 각각 제어하는 스위칭수단과,

   상기 제1 펄스신호와는 다른 타이밍을 갖고 발생되는 제2 펄스신호의 제어하에 상기 양측 부스팅노드를 선택적으로 고전압수준으로 부스팅시키는 부스팅수단과,

   상기 제2 펄스신호가 천이되기 이전에 발생되는 제3 펄스신호의 제어하에 상기 양측 부스팅노드를 선택적으로 연결시켜 두 부스팅노드간의 전하분배에 따라 각 부스팅노드의 전위변화폭을 감소시키도록 제어하는 부스팅노드 연결수단을 구비하며;

   상기 제1 내지 제3 펄스신호는 고전압 펌핑제어를 위해 오실레이터로부터 발생된 펄스신호를 각기 다른 출력 타이밍을 갖고 발생시킨 펄스신호인 것을 특징으로 하는 고전압 발생기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부스팅노드 연결수단은 상기 양측 부스팅노드의 사이에 각각 접속된 제1 및 제2 스위칭부와,

   상기 제3 펄스신호의 제어하에 상기 제1 및 제2 스위칭부로 고전압을 선택적으로 유기시켜 양측 부스팅노드의 연결을 제어하는 제1 및 제2 연결 제어부와,

   상기 제1 및 제2 연결 제어부의 출력단 전위를 외부 전원전압 수준으로 프리차지시키는 프리차지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 고전압 발생기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 스위칭부는 엔모스 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 발생기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 연결 제어부는 상기 제3 펄스신호가 각각의 소오스 및 드레인단으로 인가되며 그 게이트단이 상기 제1 및 제2 스위칭부에 각각 접속된 제1 및 제2 모스 캐패시터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 발생기.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 프리차지부는 외부 전원전압 인가단과 상기 제1 및 제2 연결 제어부의 출력단 사이에 각각 다이오드형으로 접속된 제1 및 제2 엔모스 트랜지스터와,

   상기 외부 전원전압 인가단과 상기 제1 및 제2 연결 제어부의 출력단 사이에 상호 크로스 커플구조로 상기 제1 및 제2 엔모스 트랜지스터와 각각 병렬로 접속된 제3 및 제4 엔모스 트랜지스터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고전압 발생기.