TWI244652B

TWI244652B - Internal voltage generator

Info

Publication number: TWI244652B
Application number: TW092135668A
Authority: TW
Inventors: Chang-Ho Do
Original assignee: Hynix Semiconductor Inc
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-12-01
Also published as: KR20040105976A; KR100762873B1; TW200428390A; US20040251957A1

Description

1244652 五、發明說明α) 【本發明所屬之技術領域】本發明是有關一種内電壓產生器，更精確的講是有關一種會產生位元線預充電電壓或單元板電壓的内電壓產生器，其中位元線預充電電壓被用於半導體記憶元件的位元線，而單元板電壓被用於半導體記憶元件的記憶單元板。【先前技術】一般而言，外加於半導體元件的電壓並不直接被用於該半導體元件的内部線路。這是為了避免當直接外加電壓於内部線路時，該半導體元件的内部線路運作錯誤的問題。第二個原因是因為這麼做的電位不穩，因為外加電壓包含許多被不當輸入於半導體積體線路中的雜訊，這種雜訊很有可能導致資料的錯誤。基於上述原因，加於半導體元件的外部電壓通過一個内部緩衝區後，慣例地被用為内電壓。此内電壓包含一個單元板電壓VCP，一個位元線預充電電壓VBLP，以及一個記憶胞電晶體的的電源供應VBB。本發明是有關一種會產生記憶胞電容器的單元板電壓 (VCP )和位元線預充電電壓（VBLP )的内電壓產生器。通常，半導體記憶元件被區分為核心區（c 〇 r e a r e a ) 和周圍區（p e r i p h e r a 1 a r e a )。核心區有一記憶胞區。核心電壓產生器被置於半導體記憶元件的周圍區，並產生一内電壓來驅動具有記憶胞區的核心區。此半導體記憶元件包含一個記憶胞及一個内電壓產生器。此記憶胞是作為一個資料儲存元件。此半導體記憶元件

1244652 五、發明説明（2) 包含/個内電壓產生器，它會根據儲存在記憶胞的高準位電壓（也就是核心電壓）資料而產生一個特定的電歷。本發明是有關一種内電壓產生器，該電壓產生器會輸出預定核心電壓值的一半。因為記憶胞電容器的單元板電壓 (VCP)或位元線預充電電壓（VBLP)只需要一事的核心電壓來進行操作。在下文中，搭配爹考圖第1圖，將討論常見的會產生一半核心電壓的内電壓產生器，以作為半導體元件之内電壓產生器的合1丨子。第1圖是一線路圖，顯示一般會產生一半核心電壓的内電壓產生器。根據第1圖所顯示，一般的内電壓產生器以核心電壓作為其電源供應電壓。一般的内電壓產生器包含一個源極隨辆電晶體來驅動驅動態。一般的内電壓產生器中，NM0S電晶體NMQ會產生一個訊號（P — d r v )來區動驅動態。為了正常操作NMOS電晶體NMO，在P〇節點的電壓應大於 YHALF加上NMOS電晶體的啟始電壓nh。人方、壓Γ二：的傾向是，為了使電源供應具有小-點的電 νΑt的操作上便有了限制。而且，當輸出電壓、^ ，將會使啟動對應的PMOS電晶體MPO產生^l _ (n — drv )發生問題。土衹派此η — drv訊號是用來驅動降低準位驅動器。纟來的低的電壓下’ n_drvm號可能導致降低準位操作的2

1244652 五、發明說明（3) 常反應。【本發明之内容】因此，本發明是設計來解決上文所提的問題。此外，本發明的一個目的是來提供一個易於修復輸出電壓到目標值的内電壓產生器。儘管在為了克服外加於内電壓產生器的電源供應電壓的降低，内電壓往往會產生變化。為了達到此目標，内電壓產生器包含了：一個參考電壓區分器（reference voltage divider)用來產生第一和第二參考電壓；第一微分放大器，用來接收第一參考電壓並產生第一微分訊號（其中第一參考電壓來自參考電壓區分器，並經過了第一微分放大器的第一輸入端）；第二微分放大器，用來接收第二參考電壓並產生第二微分訊號（其中第一參考電壓來自參考電壓區分器，並經過了第二微分放大器的第一輸入端）：以及一個驅動器，該驅動器被來自第一和第二微分放大器的第一和第二微分訊號所驅動。在此，該驅動器的輸出訊號被用為半導體元件的内電壓，並被施加於第一和第二微分放大器的第二輸入端來提供一個回饋迴圈，此回饋迴圈可維持驅動器的輸出訊號在預定的目標範圍内。最好，驅動器輸出訊號的電壓大於第一參考電壓而小於第二參考電壓。用來產生第一和第二參考電壓的參考電壓區分器可由一組串連於核心電壓和接地電壓之間的電阻組成，第一和第二參考電壓經由這些串連電阻之間的節點輸出，並被配置於至

1244652_ 五、發明說明（4) 少一個電阻的另一端。或者此參考電壓區分器可再包含一個參考調節器。【本發明之實施方式】本發明之較佳實施例藉由相關圖示加以詳細描述。為免重覆繁瑣，在以下圖示說明中，已提及之相同元件以相同之參考數字來代表。在詳細敘述中所用的參考標記的定義如下： V D D :電源供應； VCORE :核心電壓。當高水平的資料被儲存於半導體記憶元件的記憶胞時，此核心電壓會有一電位水平。核心電壓所具有的電位水平小於電源供應VDD。 VSS :接地電壓。 VREF_P :小於目標内電壓的第一參考電壓。 VREF_N :小於目標内電壓的第二參考電壓。 VB A I S :使微分放大器能操作的偏壓電壓。 VHALF :本發明所提供之預期的内電壓。第2圖為根據本發明的第一種實例所配置的内電壓產生器之線路圖。第2圖的内電壓產生器包括有：一個參考電壓區分器 2 0 0，一個比較測定器2 2 0，一個驅動器2 4 0。比較測定器2 2 0包括有第一微分放大器2 2 2和第二微分放大器2 2 4。如弟2圖所不’爹考電壓區分200包含了在核心電壓 VCORE與接地電壓VSS之間，彼此串連的許多電阻。

第10頁 1244652 五、發明說明（5) 參考電壓區分器2 0 0產生第一參考電壓VREF_P以及第二參考電壓VREF J。第一參考電壓VREF_P的值比第二參考電壓 VREF_N的值來的小。驅動器之輸出訊號的電壓VHALF被設為大於第一參考電壓VREF一P，而小於第二參考電壓vreF — N。構成了比較測定器22 0的第一微分放大器222和第二微分放大器2 2 4是一個兩端輸入微分放大器。苐一微分放大器22 2產生第一微分訊號p_drv。第一微分放大器222包括第一與第二輸入端。第一參考電壓VREF一P被施於第一微分放大器222的第一輸入端。弟二微分放大器2 2 4產生第二微分訊號n — d r v。第二微分放大器222包括第一與第二輸入端。第二參考電壓VREF — N被施於第二微分放大器224的第一輸入端。驅動器2 4 0乃被分別來自第一與第二微分放大器的第一與第二微分訊號所驅動。驅動器2 4 0的輸出訊號被用為半導體元件的内電壓。驅動器2 4 0的輸出訊號，經由回饋線路被分別施於第一微分放大器222的第二輸入端與第二微分放大器224的第二輸入端。驅動器240包括一個PMOS電晶體，和一個nm〇S電晶體，此二電晶體串連於電源供應VDD與接地電壓VSs之間。第一微分訊號P —drv被施於PMOS電晶體的栅極。

第11頁 1244652 五、發明說明（6) 第二微分訊號n — drv被施於NMOS電晶體的栅極。驅動器的輸出訊號VHALF，乃經由佈置於PMOS電晶體和 NMOS電晶體之間的節點而輸出。以下將討論第2圖所示之内電壓產生器之操作。首先，在參考電壓區分器2 0 0中，許多電阻彼此串連於核心電壓VCORE與接地電壓VSS之間。第一參考電壓VREF一P和第二參考電壓VREF j分別經由上述串聯電組中的兩個不同節點輸出，因此具有不同的比較電壓。比較測疋器2 2 0包括有第一微分放大器2 2 2和第二微分放大态2 2 4。第一微分放大器2 2 2驅動P Μ 0 S電晶體2 4 2，此p Μ 0 S 電晶體2 4 2乃作為驅動器2 4 0的提升準位元件。第二微分放大器224驅動關03電晶體244，此隨03電晶體244乃作為驅動器 2 4 0的降低準位元件。口偏壓電壓V B A I S同時的被輸入於第一微分放大器2 2 2和第二微分放大器224。偏壓電壓VBAIS被施於兩個NMOS電晶體 2 1 2，2 1 4，以分別地來操作第一和第二微分放大器2 2 2和 224。兩個NMOS電晶體2 1 2，2 1 4，分別的被用為第一和第二微分放大器2 2 2和2 2 4的電流源。 Λ 偏壓電壓VBAIS最好大於每一個nm〇S電晶體212，214的啟始電壓。

1244652 五、發明說明（7) 考電壓VREF一P，第一參考電壓VREF—P的值小於驅動器24ΰ之輸出電壓VHALF的目標值。第彳政分放大為Μ 2 ’經過回饋，而由其第二輸入端接收驅動器240之輸出電壓VHALF。因此，當驅動器240之輸出電壓VHALF小於第一參考電壓 VREF —P時，第一微分訊號p — drv的電壓準位會變的小到足以驅動提升準位的PMOS電晶體242，進而導致驅動器24〇其輪出電壓VHALF之電壓準位的增加。〃別、第一微分訊號P-drv乃第一微分放大器222的輸出電壓。然而’當增加後的驅動器240的輪出電壓μ a Lf大於第一表考電壓VREF-P時，第一微分訊號p — drv的電壓準位會變的高到

足以關掉PMOS電晶體242，而中斷其作為提升準^元件用。 F 所以，驅動器240的輸出電壓VHALF的準位，在正常運作中’可被維持於大於第一參考電壓M _ p。第二微分放大器224驅動作為降低準位元件的NM〇s電晶也2 4 4。第一微分放大器2 2 4經由其第一輸入端接收第二表電壓VREF 一N，第二參考電壓VREFJ的值大於驅動器24〇/· 出電壓VHALF的目標值。則第二微分放大器224，經過回饋，而由其第二輸入端接收驅動器240之輸出電壓VHALF。因此，當驅動器24 0之輸出電壓VHALF大於第二參考電题 VREFJ時，第二微分訊號n_drv的電壓準位會變的高到足^ 以驅動降低準位的PMOS電晶體242，進而導致i動器24〇其輪

1244652 五、發明說明（8) 出電壓VHALF之電壓準位的減少。题。f 一後=甙唬广一仏¥乃第二微分放大器224的輸出電 ί者：二’d ·減少後ί驅動器240的輸出電壓VHALF小於第二

低=1 EF-N日守，第二微分訊號n — drv的電壓準位會變的低到足以關掉NMOS電晶俨9/1/1 :山私土千丨曰艾日J 的作用。弘日日to244，而中斷其作為降低準位元件所H驅動11240的輪出„mLF的準位，在正常運作可被維持於低於第二參考電壓j。驅動器240運作中，構成驅動器240的PM0S電晶體242 和NMOS電晶體244被控制於一種三態的環境中。夂體242作為提升準位元件，而NMQS電晶體244作為IV低準位元件。以下將敘述三種作用態。當驅動器240的輸出電壓VHALF大於第一參考電壓vref p 且小於第二參考電壓VREFj時，將會啟動作為提升準位元件的PMOS電晶體以及作為降低準位元件的NM〇s電晶體。 s驅動^§240的輸出電壓VHALF大於第二參考電壓 VREF — N，提升準位的PM0S電晶體被關掉，而降低準1立元的NMOS電晶體244被啟動，以降低驅動器24()的輸⑤ VHALF 。 a 土當驅動器240的輸出電壓VHALF小於第一參考電壓 VREF-P，提升準位的PM0S電晶體被啟動，而降低^ ^元的NMOS電晶體244被關掉，以降低驅動器240的輸出兩题 VHALF 。包土因此，本發明的内電壓產生器所輸出電MVHALF被維持

第14頁 1244652 五、發明說明（9) 於介於第一參考電壓VREF_P與第二參考電壓VREF_N之間。依照本發明，輸出電壓VHALF會介於第一參考電壓 VREF_P與第二參考電壓VREF_N的範圍之内。經由適當的調整參考電壓區分器2 0 0的電阻值，其變化的範圍可被調小至目標所期。而且，經由控制的調整參考電壓區分器2 0 0的電阻比值，可調高或調低輸出電壓VHALF的平均電壓準位。第3圖為根據本發明的第二種實例所配置的内電壓產生器之線路圖。弟3圖為的内電壓產生裔^利用^一種典型的餐考電壓產生器（參考調節器）3 0 0，而產生第一和第二參考電壓， VREF_P *VREF —N ;在這方面它不同於第2圖為的内電壓產生器。亦即，據本發明第二種實例内電壓產生器乃利用典型的參考電壓產生器（參考調節器）3 0 0，而此調節器是由電源供應電壓VDD所操控。因為第二種實例產生的參考電壓比第一種實例的穩定，它所產生的輸出電壓VHALF不需要和核心電壓VCORE有連鎖關係。核心電壓VCORE亦是一種内電壓，而它在本發明第二種實例的操作中並不必然被使用。如上所述，根據本發明的内電壓產生器被用於產生記憶元件的位元線預充電電壓或單元板電壓。此外，此内電壓產生器可被用於提供各種實用的，在半

第15頁 1244652 五、發明說明（10) 導體記憶元件中使用的内電壓產生器。第4圖顯示，在增加施於半導體記憶元件的電源供應電壓VDD的過程中’第2圖與第3圖所示之元件所產生之電壓的變4匕圖。如第4圖所示，在電源供應電壓VDD，被施加於半導體記憶元件之後，經過一段預定的時間間隔，期望中的内電壓的值會達到介於第一參考電壓VREF_P和第二參考電壓VREF N之

間。此範圍在圖中表示為PRESENT AREA OF VHUF VOLTME :VHALF電壓的表現範圍。第5圖顯示當半導體記憶元件在操作時，第2圖或第3圖任一所示之内電壓產生器之操作電壓。 ▲如第5圖所示田内電壓產生器所產生的内電壓VHALF發生變化，也就是說，當介於第一參考電壓VREF — p和二表電壓VREFJ之間的内電壓VHALF的準位，因為半了導體記一/ / 件的運作而被降低時，卜微分訊？虎p_drv 低準位。第-微分訊1虎…是第一微分放大器的輸出。低的而且，當PM0S電晶體的電源電壓VDD和第一微分訊號 P —drv之間的差別大於PM0S電晶體的啟始電壓vth，pM〇f 體將被啟動以增加並維持内電壓VHALF的準位，使其可电曰曰 pi二2 ΐ二#考電壓VREF-P和第二參考電壓VREF-N之間。 PM0S电日日.肢乃是作為一個提升準位的元件。 VREF K二Ϊ介於第一參考電壓VREF — P和第二參考電壤 f !：! ； Γθ1； ^ 1 ^ VHALF ^ ^ ^ ^ ^ ^ 被刀讯唬n —drv也會升高到一個高準位。一

1

第16頁 1244652 五、發明說明（11) 第二微分訊號n — drv是第二微分放大器的輪出。而且，當NMOS電晶體的電源電壓VDD和第二微分訊號 Π-drv之間的差別大於NMOS電晶體的啟始電壓vth，NMOS電晶體將被啟動以增加並維持内電壓VHALF的準位，使其可以維持介於第一參考電壓VREF一P和第二參考電壓VREF — N之間。 N Μ 0 S電晶體乃是作為一個降低準位的元件。如前面所敘述，在本發明中，内電壓VHALF的值介於第一茶考電壓VREF一Ρ和第二參考電壓VREF J之間。經由適當的調整參考電壓區分器2 〇〇或參考調笳電阻值，其變化的範圍可被調小。的

而且’經由控制的調整參考電壓區分器2 〇〇的電阻值’可調高或調低輸出電壓VHALF的平均電壓準位。即如如面所提到的，儘管在使用核心電壓做為内雷、為的電源供應電壓的情況下，電源供應電壓可能分壓區分發明依然可產生恆定的内電壓VHALF。 ·低’本根據本發明的内電壓產生器，儘管内電壓可能原因變化’其輸出電壓依然可容易的被恢復到目標值為某些因此’具有此内電壓產生器的半導體元件，里有一穩定的電源電壓。 "哽作將會

由W所述，本發明可基於特定實施例及附圖、 2沾§此技術者，皆可參考此描述而更清楚了解此=述二住二，T同之改良及結合及其它發明之實施例。因此^述實施也Ν ίτ、作為描述本發明，而非限制此發明。上述實

1244652 圖式簡單說明第1圖為一般用來產生一半核心電壓的内電壓產生器之線路圖。第2圖為根據本發明的第一實例所配置的内電壓產生器之線路圖。第3圖為根據本發明的第二實例所配置的内電壓產生器之線路圖。第4圖為第2圖與第3圖所示之線路所產生之電壓的變化圖。第5圖為第2圖與第3圖所示之電壓產生器之内部訊號的

操作電壓。【圖式中元件名稱與符號對照】 200 參考電壓區分器 220 比較測定器 222 第一微分放大器 224 第二微分放大器 240 驅動器 242 PMOS 電晶體 212 、 214 、 244 : NMOS 電晶體

3 0 0 :參考電壓產生器（參考調節器） p_drv :第一微分訊號 n_drv :第二微分訊號 VDD :電源供應 VCORE :核心電壓

第18頁 1244652_ 圖式簡單說明 VSS :接地電壓 VREF_P :第一參考電壓 VREF_N :第二參考電壓 VBAIS :偏壓電壓 VHALF :本發明所提供之預期的内電壓

第19頁

Claims

1244652 六、申請專利範圍 1 · 一種内電壓產生器，包括 -參考電壓區分器’用來產生第一和第二參考電壓；二固第-微分放大器，用來接收來自參考電壓區分器，亚、.里過弟-微分放大器的第—輪入端輸入的第一參考電壓，並且用來產生第一微分訊號； -個第二微分放大器’用來接收來自參考電壓區分器，並經過第二微分放大器的第一輪入端輸入的第二參考電壓，並且用來產生第二微分訊號；以及， -個驅動器，被分別來自第一及第二微分放大器的第一分訊號所驅動，而其中，該驅動器的輸出訊號被用 :卜元件的内電壓，並且分別被施加於第一及第二微分 ΐ =的弟二輸人端’而藉以提供回镇線路，經此回馈線路來維持驅動器的輸出訊號在一預定的電壓範圍内。 2二如申清專利範圍第1項所述之内電壓產生器’其中所述的弟一參考電壓小於第二參考電麼。 3·如申請專利範圍第1項所述之土内電壓產生器，豆中所輸出訊號的電壓值大於第-參考電壓而小於第、十、沾s: 1 :明專利範圍第1項所述之内電壓產生器，其中所互相ΐ ^ :;個?_電晶體和-_0S電晶體，此兩者 ^ . λΜί 弟一和第二微分訊號分別被施加於ρΜ〇ς雷曰體和NMOS電晶體的柵極。 IPMOS電日日述二範圍第4項所述之内電壓產生器，其中所 ⑽勺輛出矾號乃經由PM〇S電晶體和麗⑽電晶體中間第20頁 1244652 六、申請專利圍的節點輸出。 6. 如申請專利範圍第1項所述之内電壓產生器，其中所述的半導體元件，除了半導體元件的内電壓之外，還產生第二内電壓；此第二内電壓被用於提供參考電壓區分器的電源供應電壓。 7. —種内電壓產生器，包括一參考電壓區分器，用來產生第一和第二參考電壓；一個第一微分放大器，用來接收來自參考電壓區分器，並經過第一微分放大器的第一輸入端輸入的第一參考電壓，並且用來產生第一微分訊號；一個第二微分放大器，用來接收來自參考電壓區分器，並經過第二微分放大器的第一輸入端輸入的第二參考電壓，並且用來產生第二微分訊號；一個驅動器，被來自第一微分放大器的第一微分訊號所驅動，用以維持驅動器的輸出訊號準位高於第一參考電壓，此第一參考電壓係接收自參考電壓區分器；而該驅動器，係被來自第二微分放大器的第二微分訊號所驅動，用以維持驅動器的輸出訊號準位低於第二參考電壓，此第二參考電壓亦接收自參考電壓區分器，其中驅動器的輸出訊號，作為半導體元件的内電壓，並分別的被施加於第一和第二微分放大器的第二輸入端，而藉以提供回饋線路，經此回饋線路來維持驅動器的輸出訊號在一預定的電壓範圍内，此預定電壓範圍乃由第一和第二參考電壓所界定。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之内電壓產生器，其中所

第21頁 1244652 六、申請專利範圍述的參考電壓區分器，進一步的由一些彼此串連於核心電壓與接地電壓之間的電阻所構成’弟一和弟二爹考電尾經由這些電阻之間的節點輸出，並至少被施加於某一個電阻的相反端節點。 9.如申請專利範圍第7項所述之内電壓產生器，其中所述的參考電壓區分器，進一步的包含一個參考調節器。