JP4127452B2 - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路装置に関し、例えば昇圧電圧発生回路を内蔵したダイナミック型RAM(ランダム・アクセス・メモリ)を含む半導体集積回路装置に利用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
基板バックバイアス電圧及び昇圧電圧を形成するポンピング回路を備えたダイナミック型RAMに関しては、例えば、特開平3−214669号公報がある。この公報の基板バックバイアス電圧と昇圧電圧をそれぞれ発生させるポンピング回路(チャージポンプ回路)は、メイン回路とサブ回路からなりサブ回路はリーク電流等を補う程度の小さな電流供給能力しか持たないようにされる。
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
近年、メモリやマイクロプロセツサ等の半導体集積回路では、ユーザーの使いよい外部単一電源化や素子の性能向上のために正や負のチャージポンプ回路をチップ内に設けることが多くなっている。しかしながら、ダイナミック型RAMにおけるメモリセルを構成するアドレス選択MOSFETでは、スケーリング則に従って、そのしきい電圧を下げることはサブスレツショールド電流の増加につながり、情報保持時間が短くなるので困難である。そのため、素子を微細化してもチャージポンプ回路で発生すべき電圧は、言い換えるならば、上記アドレス選択MOSFETの選択レベルは、素子サイズに比例して下げることができず、素子耐圧に近くなり、それらの素子の信頼性を確保することが重要な課題となっている。
【0004】
図10に本願発明に先立って検討された昇圧回路が示されている。本回路では、キャパシタCB1、CB2、CB4をVDDにプリチャージした後ノードN1、N2をVDDにする。このときキャパシタCB2の電荷はMOSFETM8を通過してそのキャパシタCB4のドレイン、ソース側を2VDDにする。このためキャパシタCB4のゲート側電位は3VDDとなる。この回路では、整流MOSFETM1のゲート電圧を3VDDまで昇圧するので電流供給能力は大きくできる。
【0005】
例えば0.3μmプロセスで作られた素子を用いた場合、VDD=2.9V、VTN(M1)=1V、W/L(M1)=75μm/1μm、負荷電流=2mAのときVCH=4.0Vとメモリセルにフルに書き込むために必要な電圧3.8Vを十分に満足する。しかし、MOSFETM7には最大2VDDの電圧が印加されるので素子のゲート耐圧を越えてしまう。通常ゲート酸化膜の許容電界は5MV/cm以下である。しかし、本回路では、tox=8nmとするとVDD=3.7VのときMOSFETM7のゲート,ソース間電圧は7.2V、電界は9MV/cmに達し許容値をはるかに越えてしまうことが判明した。
【0006】
この発明の目的は、動作電圧の複数倍の高電圧を形成しつつ素子への印加電圧を緩和し、その信頼性を保つようにした内部電圧発生回路を備えた半導体集積回路装置を提供することにある。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、電源電圧VDDで駆動されるチャージポンプ回路において、ドレイン,ソース間に最大2VDDまたはそれに近い電圧がかかるMOSFETに対して、それと直列に同一の導電型のMOSFETを接続し、そのゲートに、それを入れる前のドレイン電位VDよりVDDだけ低い電位VD−VDDを与える。上記ゲート電位は、そのMOSFETのドレイン,ソース間電圧に同期した電圧パルスを発生している上記チャージポンプ回路の一部のノードから直接または、そこからコンデンサで分岐して別の整流素子を介して得る。
【0008】
【発明の実施の形態】
図11には、この発明に係る昇圧電圧発生回路の特徴部が示されている。この発明では、効率よく昇圧電圧Vppを出力するために整流回路RCに含まれるMOSFETM1のゲートに第2昇圧回路から出力された3VDDを供給する。ここで、第2昇圧回路BC2は、キャパシタCB4と、キャパシタCB4をプリチヤージするMOSFETM7と、MOSFETM7とキャパシタCB4の間に設けられた耐圧緩和用のMOSFETM14と、整流用のMOSFETM13とを備えている。
【0009】
キャパシタCB4は、MOSFETM7によりVDDにプリチャージされ、第1昇圧回路BC1の出力φ4がVDDから2VDDに変化するのを受けてノードN5を3VDDに昇圧する。ノードN5が3VDDとされる際に、MOSFETM14のゲートには、第1昇圧回路の出力φ3が入力され、MOSFETM7のソース・ドレイン間の電圧を2VDDでなくVDD−VTNに緩和する。以下、本願では、ソース・ドレイン間の電圧緩和に注目して記載しているが、ソース・ゲート間の電圧も同様に緩和される。また、1つのMOSFETに注目すると、2つのノード間の電圧を緩和することによりMOSFET内の電界も緩和される。
【0010】
このような構成により、MOSFETM7のソース・ドレイン間の電圧は、VDD以上にならず、ゲート耐圧の低い素子を使った場合でも、ゲート破壊に対する耐圧を向上させることができる。ここで、第1昇圧回路BC1の出力φ1からφ4は、VDDと2VDDの間で振幅する2倍昇圧回路の出力を意味するが、必ずしも異なるノードから出力される必要はなく、φ3及びφ4が同じノードから出力されてもいいし、また、φ1とφ4が同じノードから出力されてもよい。更に、以上の説明では理想状態を考えて2VDDはVDDの2倍の電位を表し、3VDDはVDDの3倍の電位を表す。しかし、現実的には実現回路のチャージシヱアに応した電位の低下が少し起こり若干小さな値を取る。
【0011】
図1には、この発明に係る昇圧電圧発生回路の一実施例の回路図が示されている。同図において、Pチャンネル型MOSFETは、ゲート部分にロウレベルがアクティブレベルであることを示す○を付することによりNチャンネル型MOSFETと区別される。また、基板ゲートとソースとが共通接続されたMOSFETM1、M7、M8、M13等は、電気的に分離されたウェル領域に形成される。したがって、P型基板上の深い深さにN型ウェル領域DWLLを形成し、かかるDELL内にP型ウェル領域PWELLを形成して上記Nチャンネル型MOSFETが形成されるという三重ウェル構造とされる。
【0012】
この実施例の昇圧電圧発生回路は、低電源電圧VDDのもとで、効率よく上記昇圧電圧Vppを形成するような工夫に加えて、微細化されたMOSFETの低耐圧を考慮して内部電圧がVDD以上にならないよう工夫がされている。この実施例では、昇圧回路が4つの回路が組み合わされて構成される。図2には、その動作を説明するための内部電圧波形図が示されている。
【0013】
ノアゲート回路OR1は駆動回路を構成してキャパシタCB3とともにチャージポンプ回路を構成する。同様に、ノアゲート回路OR2とキャパシタCB2、インバータ回路i10とキャパシタCB1、上記キャパシタCB2で形成された昇圧電圧を動作電圧とするPチャンネル型MOSFETM8、Nチャンネル型MOSFETM9及びNチャンネル型MOSFETM10とキャパシタCB4も同様にチャージポンプ回路を構成する。MOSFETM6は、上記キャパシタCB6のプリチャージ回路を構成し、MOSFETM3はキャパシタCB2のプリチャージ回路を構成し、MOSFETM2はキャパシタCB1のプリチャージ回路を構成する。そして、MOSFETM7は、キャパシタCB4のプリチャージ回路を構成し、MOSFETM14は、その電圧緩和用として設けられる。
【0014】
図2のタイミング図に示すように、発振パルスOSCに対応してノードN1の電位は0V−VDDのように変化し、それにより駆動されるキャパシタCB4の出力側ノードN4の電位は、最大時に2VDDとなり整流MOSFETM1を通して出力容量CDへの電荷移動(電流注入)により低下し、再び上記2VDDに変化するという動作を繰り返す。この実施例では、上記整流MOSFETM1のゲートに供給される駆動電圧を3VDDのように高くしてチャージポンプ効率を高くする。
【0015】
上記高電圧3VDDを形成するために、キャパシタCB4の駆動電圧は、キャパシタCB2で形成されたノードN7の昇圧電圧2VDDが用いられる。キャパシタCB3は、上記キャパシタCB2をVDDにプリチャージするMOSFETM3の駆動電圧を形成する。つまり、ノードN6の電位をVDD−2VDDのように変化させて、MOSFETM3、M2及びM7を駆動して、それぞれにMOSFETのしきい値電圧のレベル損失なくVDDまでキャパシタCB1、CB2、CB4をプリチャージさせる。
【0016】
上記MOSFETM4とM11は、パルスOSCの供給が開始された時の初期状態において、ノードN6とN7をVDD−VTH(VTHはMOSFETのしきい値電圧)にプリチャージするものである。昇圧動作によって、ノードN7とN6の電位がそれぞれ上昇すると、MOSFETM6とM3によりキャパシタCB2とCB3にプリチャージが行われて、上記のようなしきい値電圧分の損失なくVDDまでプリチャージされる。
【0017】
この実施例では、上記キャパシタCB4のプリチャージMOSFETM7のドレイン−ソース間には、整流MOSFETM1をオン状態にされるタイミングでは、前記のように2VDDの電圧が印加されてしまうのを緩和するためにMOSFETM14が設けられている。つまり、MOSFETM14は、上記キャパシタCB4のプリチャージ経路に挿入されているが、動作そのものは上記MOSFETM7のソース−ドレイン間の電圧緩和の役割を果たすものである。
【0018】
この実施例では、特に制限されないが、上記キャパシタCB2で形成された昇圧電圧2VDDを保持するキャパシタCGが設けられ、ここに保持された2VDDの昇圧電圧が上記電圧緩和用MOSFETM14のゲートに供給される。このキャパシタCGへの整流動作を行うためにMOSFETM13が設けられ、そのゲートには上記キャパシタCB4の昇圧側の出力ノードN5の電位が与えられ、昇圧動作時にMOSFETM13をオン状態にして上記ノードN7の2VDDの電位をキャパシタCGに伝える。
【0019】
発振パルスOSCにより、ノードN2の電位がロウレベルになり、ノードN7にプリチャージ電圧VDDが印加されたときには、それに対応してMOSFETM7とM14からノードN5にもVDDのようなプリチャージ電圧が印加される。この結果、MOSFETM13はオフ状態となり、キャパシタCGには前記2VDDの電位が保持されており、MOSFETM14にはMOSFETM7と同様に2倍の昇圧電圧2VDDが印加されているので、キャパシタCB4を電源電圧VDDまでプリチャージすることができる。
【0020】
このように電圧緩和素子としてMOSFETM14を設け、そのゲート電位をノードN5が3VDDに昇圧されると同時に2VDDとすると、本回路での最大電圧は、MOSFETM14が無い場合にMOSFETM7のドレイン,ソース間にかかる2VDDからMOSFETM14のドレイン,ソース間にかかるVDD+VNTに抑えられる。ここで、VTNはMOSFETM14のしきい電圧であり、そのバックゲート電位はVDDとなっているので0.5V以下となる。このように、MOSFETM14のバックゲート電位をVDDにすることにより、MOSFETM14のしきい電圧が低くなりドレイン,ソース間電圧が下がることに加えて、バックゲートとノードN5の間にできるPN接合ダイオードによりキャパシタCB4が速やかにプリチャージされる利点も生じる。
【0021】
これによりパワーオンから所望の出力レベルになるまでの時間が低減される。仮に、MOSFETM14のバックゲートがVSSに接続されていたなら、パワーオン直後はノードN5とN8はほぼ0Vになっているので、その立ち上がりは非常に遅くなってしまう。また、ここでキャパシタCGは、ノードN8の電位を安定化するための容量である。これは、ノードN8とノードN5の昇圧タイミングが多少ずれてもノードN8の電位をほぼ2VDDに保ち、MOSFETM14のドレイン,ソース間に過大な電圧がかかるのを防ぐ。ただし、通常その時間は短いのでデバイスの耐圧に余裕があれば入れなくても良い。
【0022】
図12には、この発明に係る倍電圧発生回路の他の実施例の回路図が示されている。この実施例は、前記図1の変形例であり、図1のノードN7と接続されていた耐圧緩和用MOSFETM13のドレインを、上記ノードN7に替えてキャパシタCB1のノードN4に接続した点が異なる。他の構成は、前記図1と同様であるのでその説明を省略する。
【0023】
図1及び図2からわかるように、本実施例に示した倍電圧発生回路では、MOSFETMlを通しノードN10からN4へ電荷が逆流するのを防ぐために、ノードN5の電位をノードN4より先に引き落とすようにしている。従って、本実施例によれば、ノードN5の電位がVDDレベルにまで下がつて、MOSFETM13が十分にカットオフしてからノードN4を引き下げることになるので、ノードN8の電荷の逆流を完全に防ぐことができる。このため、前記図1の電位保持用の容量CGを省略することができる利点がある。
【0024】
図3には、この発明に係る負電圧発生回路の一実施例の回路図が示されている。同図の各素子に付された回路記号は、図面を見やすくするために前記図1のものと一部重複しているが、それぞれは別個の回路機能を持つものと理解されたい。このことは、以下に説明する他の図面においても同様である。
【0025】
この実施例では、特に制限されないが、主要なMOSFETがPチャンネル型で構成される。これらのPチャンネル型MOSFETはN型ウェル領域に形成される。それ故、メモリセルが形成されるP型ウェル領域と電気的に分離でき、チャージポンプ動作においてN型ウェル領域に少数キャリアが発生することになるので、ダイナミック型RAMの負電圧発生回路に利用した場合、かかるP型のウェル領域に形成されるメモリセルに何ら影響を及ぼすことがない。
【0026】
MOS容量を利用して形成されたキャパシタCB1とPチャンネル型MOSFETとNチャンネル型MOSFETを用いたCMOSインバータ回路I1からなる駆動回路により負電圧VBBを発生させるポンピング回路の基本回路が構成される。キャパシタCB2とCMOSインバータ回路I2も同様な基本回路であるが、入力されるパルスOSCとOSCBとが互いにそのアクティブレベルが重なり合うことの無い逆相関係にあり、入力パルスに対応して交互に動作して効率の良いチャージポンプ動作を行うようにされる。
【0027】
整流用のMOSFETM1とM2は、基本的にはダイオード形態にされてもよいが、このようにすると、そのしきい値電圧分だけレベル損失が生じてしまう。パルス信号OSCのハイレベルが3.3V程度の低電圧であるときには、実質的に動作しなくなる。そこで、MOSFETM2は、入力パルスOSCがハイレベルのときにオン状態にされればよいことに着目し、入力パルスと同様なパルスを形成してキャパシタCB3を駆動するインバータ回路I3と、上記インバータ回路I3を含んで上記入力パルスOSCがロウレベルのときに、キャパシタCB3、CB5をそれぞれVDDにプリチャージし、上記入力パルスOSCがハイレベルのときに直列形態とし、上記インバータ回路I3の出力信号のロウレベル(0V)を基準にした−2VDDの負電圧をノードN3に発生させて、上記整流MOSFETM1をオン状態にする。
【0028】
この構成では、MOSFETM1がオン状態にされるとき、そのソース−ドレインに対してゲート電圧をVDDだけ低い電圧にすることができるからしきい値電圧によるレベル損失なく上記キャパシタCB1で形成された負電圧を出力させることができる。この結果、出力電圧VBBを−VDDまで低下させることができる。
【0029】
上記Nチャンネル型MOSFETM11は、上記2つのキャパシタCB3とCB5を直列接続させるスイッチとして動作するとともに、Pチャンネル型MOSFETM13、M15とともにキャパシタCB3をVDDにプリチャージ経路を形成する。上記MOSFETM13とM15及びMOSFETM21とM5は、上記キャパシタCB5をVDDにプリチャージする経路を形成する。上記2つのMOSFETM13とM15及びMOSFETM5とM21のうち、MOSFETM13とM5がそれぞれ本来のプリチャージ回路を構成するために設けられたものであり、それと直列接続されるMOSFETM15とM21は、それぞれ前記同様に電圧緩和のために設けられる。
【0030】
負電圧発生時には、MOSFETM13は一端側にVDDのような電源電圧が供給され、他端側にはキャパシタCB2で形成された負電圧−VDDが供給されて、前記昇圧回路の場合のように2VDDのような高電圧差が発生してしまう。そこで、このような高電圧を緩和するためにMOSFETM15が直列に設けられ、そのゲートに接地電位0Vを印加することにより、それぞれのソース−ドレイン間をほぼVDDずつ分担することとなる。同様に、上記負電圧発生時には、キャパシタCB5により−2VDDのような大きな電圧が形成されてプリチャージ回路のMOSFETM5の両端に印加されてしまう。このような高電圧を緩和するために上記MOSFETM5にMOSFETM21が直列に設けられ、そのゲートに−VDDが印加される。これにより、上記各MOSFETのソース−ドレイン間にはほぼVDDずつが分担して印加されるものとなる。
【0031】
キャパシタCB7とMOSFETM17及びMOSFETM19は、上記電圧緩和用のMOSFETM21のゲートに印加される−VDDを形成するチャージポンプ回路であり、特に制限されないが、かかる負電圧−VDDは、キャパシタCGにより保持されて、MOSFETM21のゲート電圧を定常的に−VDDにバイアスするものである。
【0032】
MOSFETM3は、バックゲート(チャンネル部分)に他方の入力パルスOSCBを受ける駆動用インバータ回路I2のハイレベルの出力信号を受けることによって早いタイミングでオフ状態にされ、基板電位の引き抜きを効率よくする。同様にMOSFETM1のバックゲートには、駆動用のインバータ回路I1の出力信号が供給されることによって、キャパシタCB1をチャージアップするときMOSFETM1を早いタイミングでオフ状態にし、負電圧VBBのリークを最小にする。
【0033】
他方の入力パルスOSCBに対応したMOSFETM2のゲートに供給される制御電圧、MOSFETM4とM1のバックゲート電圧も同様な動作を行うようなインバータ回路I2及びキャパシタCB4、CB6により形成されるパルス信号及び入力パルスOSCに基づいて形成されるパルス信号が用いられる。この場合、前記のように+Vと−Vの2VDDのような電圧差の高電圧が印加されるMOSFETM14には、電圧緩和用MOSFETM16が直列形態に設けられ、−2VDDが両端に印加されるMOSFETM6には、電圧緩和用のMOSFETM22が直列形態にに設けられる。
【0034】
図4には、上記図3の負電圧発生回路の内部電圧波形図が示されている。本回路の特徴は、図3に示すMOSFETM5、M6、M13、M14に対する耐圧緩和素子としてMOSFETM21、M22、M15、M16をそれぞれに直列形態に設け、かかるMOSFETM21、M22のゲート電位は、ノードN3またはN4が−2VDDに昇圧されるのに合わせて−VDDにする。またMOSFETM15、M16のゲート電位は常にVSS(0V)にするものである。
【0035】
これにより、前記図4の電圧波形図にも示されているように本回路の最大電圧は、MOSFETM21、M22、M15、M16が無い場合にMOSFETM5、M6、M13、M14のドレイン−ソース間にかかる電圧2VDDからMOSFETM21、M22、M15、M16のドレイン,ソース間にかかるVDD+|VTP|に抑えられる。ここで、|VTP|はMOSFETM15、M16、M21、M22のしきい電圧の絶対値である。ここで、キャパシタCGは、図1の実施例と同様にノードN17の変動を抑えMOSFETM21、M22に過大な電圧がかかるのを防ぐ。もちろん、MOSFETM21、M22の耐圧に余裕のある場合はなくてもよい。
【0036】
図5には、本発明に係る3倍昇圧電圧発生回路の一実施例の回路図が示されている。図6には、その動作を説明するための内部電圧波形図が示されている。この実施例では、駆動回路を構成するCMOSインバータ回路I3と、キャパシタCB5により2倍昇圧電圧2VDDを形成し、この電圧で動作する駆動回路(M27、M29、M31)とキャパシタCB1により3倍昇圧電圧を形成し、Pチャンネル型の整流MOSFETM2を通して出力キャパシタCDに3VDDを保持させる。同様な駆動回路を構成するCMOSインバータ回路I4とキャパシタCB6により2倍昇圧電圧2VDDを形成し、この電圧で動作する駆動回路(M28、M30、M32)とキャパシタCB2により3倍昇圧電圧を形成し、Pチャンネル型の整流MOSFETM2を通して上記出力キャパシタCDに3VDDを保持させる。
【0037】
上記2組の回路に対して入力されるパルスF1BとF1とが互いにそのアクティブレベルが重なり合うことの無い逆相関係とし、かかる入力パルスに対応して交互に上記2組の回路を動作させて波形図に示すように効率の良いチャージポンプ動作を行うようにされる。
【0038】
本回路の特徴は、図5に示すMOSFETM15、M16、M21、M22に対する電圧緩和素子として、それぞれMOSFETM13、M14、M11、M12を設け、ノードN9とN11又はN10とN12が3VDDに昇圧されるタイミングに同期して、MOSFETM13、M14、M11、M12のゲート電位を2VDDにするようにする。これにより、本回路の最大電圧は、MOSFETM11〜M13が無い場合にMOSFETM15、M16、M21、M22のドレイン,ソース間に印加される電圧が2VDDからMOSFETM11〜M13のドレイン,ソース間にかかるVDD+VTNに抑えられる。ここで、VTNはMOSFETM11〜M13のしきい電圧である。
【0039】
なお、前述のようにノードN17とVDDまたはVSSの間にキャパシタを入れれば、そのノードの電庄変動量が減りMOSFETM11〜M13の信頼性をさらに増加させることができることは言うまでもない。また、同図に示すように、パワーオン時のノードN9、N10、N11、N12の立ち上がりを速くするため、MOSFETM11〜M16とM21、M22のバックゲートはVDDに接続すべきである。
【0040】
以上のように電圧緩和用MOSFETのゲート電位は、そのMOSFETのドレイン,ソース間電圧に同期した電圧パルスを発生している上記チャージポンプ回路の一部のノードから直接または、それをコンデンサで分岐して別の整流素子を介して得るようにする。これにより、該ゲート電位発生回路と該チャージポンプ回路の駆動回路を共用できるのでチップ上の占有面積を低減できる。また、該ゲート電位の昇圧と該ドレイン電位の昇圧タイミングが同期しているので、該ゲート電位安定化のために平滑容量を付ける必要がなくチップ上の占有面積を低減できる。
【0041】
図7は、本発明が適用されるシステムLSIの一実施例の全体の回路ブロック図で有る。実施例の半導体集積回路装置CHIPは、図示のような複数の回路ブロック、すなわち入出力回路I/O、基板バイアス制御回路VBBC、制御回路ULC、リードオンリメモリROM、D/A変換器DAC、A/D変換器ADC、割り込み制御回路IVC、クロック発生回路CGCを有するシステムパワーマネジメント回路SPMC、中央処理部CPU、スタティックメモリSRAM、DMAコントローラDMAC、ダイナミック型メモリDRAMを含む。
【0042】
それらの回路ブロックは、内部バスBUS、制御バスCBUSに結合されている。それらは半導体集積回路装置を構成すべき図示しない半導体基板に搭載される。上記システムパワーマネジメント回路SPMCは、システムLSIに搭載される各モジュールにおいて、消費される電力を制御する機能を有する。
【0043】
半導体集積回路装置は、入出力回路I/Oにつながる入出力外部端子Tio1ないしTionと、負論理レベルのようなリセット信号resbが供給される外部端子T1と、制御用外部端子T2と、第1動作制御信号cmqが供給される第1動作制御用外部端子T3と、第2動作制御信号cpmqが供給される第2動作制御用外部端子T4と、外部クロック信号clkが供給されるクロック用外部端子T5と、複数の電源電圧(vdd、vccdr、vss)が供給される複数の電源用外部端子T6、T7、T8とを持つ。
【0044】
特に制限されないが、電源電圧vddは、内部回路ブロックの動作のための電源電圧とされ、1.8ボルト±0.15ボルトのような値を取る。電源電圧vccdrは、半導体集積回路装置に要求される入出力レベルに応じて、主として入出力回路I/Oのために設定される電源電圧であり、3.3ボルト±0.3ボルト、2.5ボルト±0.25ボルト、及び1.8ボルト±0.15ボルトのような値のうちの一つを取るようにされる。電位vssは、いわゆるアース電位と称されるような回路の基準電位である。
【0045】
図示の半導体集積回路装置は、いわゆるASIC(アプリケーション・スペシファイド・インテグレーテッド・サーキッツ)すなわち特定用途ICを構成するようにされる。すなわち、図示のほとんどの回路ブロックは、ASIC構成を容易ならしめるように、それぞれ独立的な回路機能単位としてのいわゆるモジュールないしはマクロセルをなすようにされる。各機能単位は、それぞれその規模、構成が変更可能にされる。ASICとしては、図示の回路ブロックの内、実現すべき電子システムが必要としない回路ブロックは、半導体基板上に搭載しないようにすることができる。逆に、図示されていない機能単位の回路ブロックを追加することもできる。
【0046】
半導体集積回路装置は、特に制限されないが、1.8ボルト±0.15ボルトのような低電源電圧vddの基でも十分な動作特性を示すように、低電源電圧可能なCMOS構造の半導体集積回路装置とされる。
【0047】
半導体集積回路装置に搭載されるダイナミック型メモリは、上記電源電圧vddによって動作されても良い。しかし、この実施例の半導体集積回路装置には、ダイナミック型メモリのために、上記電源電圧vddとともに、上記電源電圧vddによって動作される電圧発生回路から発生される高電源電圧も利用される。ダイナミック型メモリにおいては、ダイナミック型メモリセルを選択するロウデコーダのような回路はかかる高電源電圧にて動作され、半導体集積回路装置の内部バスBUSとの間に信号を入出力するような回路は低電源電圧vddのような電源電圧によって動作される。この構成は、ダイナミック型メモリセルに与えられる情報としての電荷量を増大させる。これにより、ダイナミック型メモリの情報保持時間特性をより良好にできる。同様に、センスアンプを前記のような昇圧電圧vbsを用いたオーバードライブ方式で駆動することにより、高速な読み出し動作が可能になる。
【0048】
(中央処理部CPU)
中央処理部CPUは、特に制限されないが、いわゆるマイクロプロセッサと同様な構成にされる。すなわち中央処理部CPUは、その詳細を図示しないけれども、その内部に命令レジスタ、命令レジスタに書込まれた命令をデコードし、各種のマイクロ命令ないしは制御信号を形成するマイクロ命令ROM、演算回路、汎用レジスタ(RG6等)、内部バスBUSに結合するバスドライバ、バスレシーバなどの入出力回路を持つ。
【0049】
中央処理部CPUは、リードオンリメモリROMなどに格納されている命令を読み出し、その命令に対応する動作を行う。中央処理装置CPUは、入出力回路I/Oを介して入力される外部データの取り込み、制御回路ULCに対するデータの入出力、リードオンリメモリROMからの命令や命令実行のために必要となる固定データのようなデータの読み出し、D/A変換器DACへのD/A変換すべきデータの供給、A/D変換器によってA/D変換されたデータの読み出し、スタティック型メモリSRAM、ダイナミック型メモリDRAMへのデータの読み出し、書込み、DMAコントローラDMACの動作制御等を行う。制御バスCBUSは、中央処理部CPUによる図示の回路ブロックの動作制御のために利用され、またDMAコントローラDMACなどの回路ブロックからの状態指示信号を中央処理部CPUに伝えるために使用される。
【0050】
中央処理部CPUは、また割り込み制御回路IVCにおける指示レジスタRG5などにセットされた動作制御信号を内部バスBUSを介して参照し、必要な処理を行う。中央処理部CPUは、クロック発生回路CGCから発生されるシステムクロック信号C2を受けそのシステムクロック信号C2によって決められる動作タイミング、周期をもって動作される。
【0051】
中央処理部CPUは、その内部の主要部が、CMOS回路、すなわちpMOSとnMOSとからなる回路から構成される。特に制限されないが、中央処理部CPUを構成するCMOS回路は、図示しないCMOSスタテック論理回路、CMOSスタテックフリップフロップのようなスタティック動作可能なCMOSスタテック回路と、信号出力ノードへの電荷のプリチャージと信号出力ノードへの信号出力とをシステムクロック信号C2に同期して行うようなCMOSダイナミック回路とを含む。
【0052】
中央処理部CPUは、クロック発生回路CGCからのシステムクロック信号C2の供給が停止されたなら、それに応じて動作停止状態にされる。停止状態において、ダイナミック回路の出力信号は、回路に生じる不所望なリーク電流によって不所望に変化されてしまう。スタテックフリップフロップ回路構成のレジスタ回路のような回路は、システムクロック信号の非供給期間であっても、以前のデータを保持する。
【0053】
システムクロック信号C2の非供給期間においては、中央処理部CPUの内部のスタテック回路における各種ノードでの信号レベル遷移が停止され、またダイナミック回路での出力ノードでのデスチャージないしプリチャージが停止される。この状態では、動作状態のCMOS回路が消費する動作電流のような比較的大きい消費電流、すなわち各種ノード及びそれぞれにつながる配線が持つ浮遊容量、寄生容量へ信号変位を与えるように電源線から与えられるチャージ、デイスチャージ電流は、実質的にゼロとなる。このことから中央処理部CPUは、CMOS回路のリーク電流に等しいような小さい電流しか流れず、低消費電力状態となる。
【0054】
(割り込み制御回路IVC)
割り込み制御回路IVCは、外部端子T1に負論理レベルのようなリセット信号を受け、外部端子T3を介して第1動作信号cmqを受け、外部端子T4を介して第2動作制御信号cpmqを受け、また、外部端子T2に、半導体集積回路装置の動作状態を指示する状態指示信号を出力する。割り込み制御回路IVCは、かかるリセット信号resb、動作制御信号cmq、cpmq及び状態指示信号に対応してそれぞれの位置のビットが設定されるようなレジスタRG5を持つ。
【0055】
レジスタRG5における状態指示信号は、内部バスBUSを介して中央処理部CPUによって更新される。外部端子T3、T4を介してレジスタRG5にセットされた動作制御信号cmq、cpmqは、前述のように、内部バスBUSを介し中央処理部CPUによって参照される。
【0056】
特に制限されないが、割り込み制御回路IVCは、その内部にダイナミック型メモリのリフレッシュ動作のための図示しないリフレッシュアドレスカウンタを持つ。割り込み制御回路IVCにおけるかかるリフレッシュアドレスカウンタは、第1、第2動作制御信号cmq、cpmqによって第1及び第3モードが指示されているなら、すなわち半導体集積回路装置に対して動作モードか、動作スタンバイモードが指示されているなら、クロック発生回路CGCからのシステムクロック信号に基づいて歩進され、周期的に更新されるリフレッシュアドレス情報を形成する。
【0057】
(クロック発生回路CGC)
クロック発生回路CGCは、外部端子T5を介して外部クロック信号clkを受け、その外部クロック信号clkに対応した周期のシステムクロック信号C2を形成する。なお、図12では、クロック発生回路CGCと中央制御部CPUとの間の信号線が単純化されて表現されているけれども、システムクロック信号C2は、中央制御部CPU内の図示しない回路の順序立った動作のために、一般的なプロセッサに対するクロック信号と同様に、多相信号からなると理解されたい。
【0058】
クロック発生回路CGCによるシステムクロック信号C2の発生は、割り込み制御回路IVCからの第1及び第2動作制御信号cmq、cpmqに応答するモード信号MODE2やイニシャル動作指示信号INTLのような制御信号C1及び中央処理部CPUからの制御信号C3によって制御される。動作制御信号cmqによって完全スタンバイ動作が指示されたなら、中央処理部CPUによって、スタテイック的に保持すべきデータのスタテイック型メモリSRAMへの書込み処理動作を含むような、完全スタンバイ動作へ移行するための必要な処理動作が行われ、次いで、中央処理部CPUからクロック発生回路CGCへシステムクロック発生動作停止のための制御信号C3が発生される。
【0059】
動作制御信号cpmqによって動作スタンバイ動作が指示された場合は上記完全スタンバイ動作と同様に、中央処理部CPUによって、スタテイック的に保持すべきデータのスタテイック型メモリSRAMへの書込み処理動作を含むような、動作スタンバイ動作へ移行するための必要な処理動作が行われる。この場合のその後の動作は、上記完全スタンバイ動作の場合とは異なり、中央処理部CPUからクロック発生回路CGCへシステムクロック信号の選択的出力のための制御信号C3が発生される。
【0060】
すなわち、クロック発生回路CGCから割り込み制御回路IVC及びダイナミック型メモリDRAMへシステムクロック信号の供給は継続され、それ以外の回路ブロックへのシステムクロック信号の供給は停止される。動作制御信号cmq、cpmqが回路の動作を指示する状態に変化されたなら、それに応ずる割り込み制御回路IVCからの制御信号C1によって、クロック発生回路CGCは、外部クロック信号clkに応ずるシステムクロック信号C2を発生するように制御される。
【0061】
(入出力回路I/O)
入出力回路I/Oは、外部端子Tio1ないしTionの内の所望の外部端子を介して外部から供給される信号を受け、また外部端子Tio1ないしTionの内の所望の端子に出力すべき信号を内部バスBUSを介して受ける。入出力回路I/Oは、その内部にそれぞれCMOSスタテック回路からなるような制御レジスタRG4と図示しないデータレジスタとを持つ。
【0062】
制御レジスタRG4は、中央処理部CPUによって選択され、かつ中央処理部CPUによって、当該入出力回路I/Oのための制御データ、例えば、データ入力/出力指示や高出力インピーダンス状態指示などの制御データが与えられる。データレジスタは、外部端子Tio1ないしTionと、内部バスBUSとの間のデータの転送のために利用される。外部端子Tio1ないしTionのビット幅すなわち端子数と、内部バスBUSのビット幅が異なるような場合、データレジスタは、大きいビット幅に対応されるようなビット数を持つようにされ、中央処理部CPUによる動作制御に従ってビット数変換を行う。
【0063】
例えば外部端子Tio1ないしTionの個数が64のような数であるのに対し、内部バスBUSのビット幅が256ビットのような比較的大きい数であるような場合、64ビット単位をもって外部端子Tio1ないしTionに次々に供給される直列データは、中央処理部CPUによる直列ー並列データ変換制御によってデータレジスタに順次に供給され、256ビットのデータに変換される。逆に、内部バスBUSからデータレジスタにセットされた256ビットのデータは、中央処理部CPUによる並列ー直列データ変換制御によって、64ビット毎に分けられて外部端子Tio1ないしTionに順次に供給される。
【0064】
入出力回路I/Oの信号入力のための回路及び信号出力のための回路は、その入力及び出力動作がシステムクロック信号によって制御されるようにされる。それ故に、入出力回路I/Oは、システムクロック信号が供給されなくなった時には、上記中央処理部CPUと同様に低消費電力状態にされることになる。
【0065】
(制御回路ULC)
制御回路ULCは、電子システムの必要に応じて適宜に設けられる制御回路である。この制御回路ULCとしては、例えば、ハードデイスク装置におけるモータサーボコントロール、ヘッドのトラッキング制御、誤り訂正処理や、画像、音声処理における画像や音声データの圧縮伸長処理のようなのような実現すべき電子システムに応じて適宜に設けられる。制御回路のULCは、中央処理部CPUと同様にその動作がシステムクロック信号によって制御される。
【0066】
(リードオンリメモリROM)
リードオンリメモリROMは、前述のように、中央処理装置CPUによって読み出され実効されるべき命令、固定データを記憶する。
【0067】
(D/A変換器DAC)
D/A変換器DACは、内部バスBUSを介して供給されるところのアナログ信号に変換すべきデジタルデータを受けるレジスタRG2を持ち、かかるデジタルデータに基づいてアナログ信号を形成する。レジスタRG2は、制御回路ULCもしくは中央処理部CPUによってデジタルデータがセットされる。D/A変換器DACのD/A変換開始タイミング、D/A変換結果の出力タイミングのようなD/A変換動作は、システムクロック信号によって制御される。D/A変換器DACによって形成されたアナログ信号は、特に制限されないが、内部バスBUS及び入出力回路I/Oを介して外部端子T1ないしTnの所望の端子に供給される。尚、ここでは上記外部端子T1ないしTnを入出力兼用端子(ピン)としているが、入力用端子と出力用端子に分離して設けてもよい。
【0068】
D/A変換器DACは、その詳細を図示しないけれども、高精度DA変換が必要とされる場合は、得るべきアナログ量の基準とするような基準電圧源もしくは基準電流源を持つようにされる。かかる基準電圧源もしくは基準電流源は、一種のアナログ回路を構成するとみなされ、第2モード及び第3モード、すなわち完全スタンバイモード、及び動作スタンバイにおいて無視し得ない電流を消費してしまう危険性を持つ。それ故にそのような場合の消費電流の低減を可能にするよう、かかる基準電圧源もしくは基準電流源に対しては、上記第2モード、第3モードにおいて、スイッチオフするようなMOSFETスイッチを設定される。
【0069】
(A/D変換器ADC)
A/D変換器ADCは、外部端子T1ないしTnのうちの所望の端子と入出力回路I/Oと内部バスBUSを介して供給されるようなアナログ信号を受け、制御回路ULCもしくは中央処理部CPUによってそのA/D変換の開始が制御され、システムクロック信号C2に従うようなクロック制御のもとで上記アナログ信号をデイジタル信号に変換し、得られたデジタル信号をレジスタRG1にセットする。
【0070】
A/D変換器ADCもまた、上記D/A変換器DACと同様に、高精度AD変換が必要とされる場合は、デジタル変換すべき量子化レベルの基準とされるような基準電圧源もしくは基準電流源を持つようにされる。A/D変換器ADCにおけるかかる基準電圧源もしくは基準電流源もまた完全スタンバイモード、及び動作スタンバイモードにおいて無視し得ない電流を消費する危険性を持つ。それ故にその場合には、上記同様なMOSFETスイッチが、かかる基準電圧源もしくは基準電流源に適用される。
【0071】
(スタティック型メモリSRAM)
スタテイック型メモリSRAMは、そのメモリセルとして、その詳細は図示しないが、CMOSスタテック型メモリセル、すなわちCMOSラッチ回路とそれに対するデータ入出力のための一対の伝送デートMOSFETとからなるような構成のメモリセルを持つ。CMOSスタテック型メモリセルは、スタテックに情報を保持し、かつ情報保持のために、著しく小さい動作電流しか必要しないという特徴を持つ。
【0072】
かかるスタテイック型メモリSRAMは、実質上は、CMOSスタテイック型ランダム・アクセス・メモリを構成するようにされる。すなわち、スタテイック型メモリSRAMは、マトリクス配置の複数のCMOSスタテック型メモリセルからなるメモリアレイと、内部バスBUSを介して供給されるようなロウアドレス信号をデコードしそれによってメモリアレイにおけるワード線を選択するロウ系アドレス・デコード・ドライブ回路と、カラムアドレス信号をデコードしそれによってカラム・デコード信号を形成するカラム系アドレスデコード回路と、かかるカラム・デコード信号によって動作されメモリアレイにおけるデータ線を選択しそれを共通データ線に結合させるカラムスイッチ回路と、共通データ線に結合された入出力回路と、読み出し書込み制御回路とを含む構成とされる。
【0073】
メモリアレイに関連するかかるアドレス・デコード・ドライブ回路のような回路すなわちメモリアレイ周辺回路は、CMOSスタテック回路から構成される。それ故に、スタテック型メモリセルSRAMは、読み出し、書込み動作が行われない情報保持動作のみだけなら、比較的低消費電力状態に置かれるととなる。なお、CMOSスタティック型メモリは、メモリセルサイズが比較的大きくなり、その記憶容量に対する全体のサイズが比較的大きくなってしまうという考慮すべき特徴を持ち、大きな記憶容量にすることが比較的困難である。
【0074】
(DMAコントローラDMAC)
DMAコントローラ、すなわちダイレクト・メモリ・アクセス・コントローラDMACは、中央処理部CPUによってその動作が制御され、中央処理部CPUによって指示された回路ブロック間の内部バスBUSを介するデータ転送を、中央処理部CPUになり代わって制御する。DMAコントローラDMACの詳細は、独立の半導体集積回路装置として構成されるDMAコントローラと実質的に同じ構成にし得るので更にの詳細な説明は行わないが、その内部のレジスタRG7等に、中央処理部CPUによってセットされる転送元情報、転送先情報、データ転送量情報等の設定情報に基づいて、データ転送制御を行う。
【0075】
(ダイナミック型メモリDRAM)
ダイナミック型メモリDRAMは、そのメモリセルすなわちダイナミック型メモリセルが、典型的には、電荷の形態をもって情報を蓄積する情報蓄積用キャパシタと、選択用MOSFETとからなるような少ない数の素子からなり、比較的小さいメモリセルサイズにされ得る。それ故に、ダイナミック型メモリは、大記憶容量であってもその全体のサイズを比較的小さくすることができる。このダイナミック型メモリDRAMは、次に説明する。
【0076】
図8は、この発明が適用される半導体集積回路装置に搭載されるダイナミック型メモリ(以下、単にDRAMという)の一実施例のブロック図を示している。このDRAMは、例えば上記システムLSI(半導体集積回路装置)における一つのモジュールないしは機能ユニットを構成する。
【0077】
図示のDRAMは、特に制限されないが、大記憶容量化に適合するようにバンク構成をとる。メモリバンク数は、その個数が例えば、最大16をもって変更可能される。一つのメモリバンク、例えば第1番目のメモリバンクbank1は、メモリセルアレイMA1、センスアンプSA0、SA1及びセンスアンプと一体とされているような図示しないビット線プリチャージ回路、タイミング発生回路及びカラムセレクタTC1、ロウデコーダRD1、及びカラムスイッチ回路CS1からなる。
【0078】
それら複数のメモリバンクに対して、アドレス信号及び制御信号のためのアドレスバス/制御バスADCBが設定され、データ入出力のためのメモリ内部バス(I/O内部バス)IOBが設定されている。それらバスADCB、IOBに対して共通のメモリ入出力回路M−I/Oが設けられている。メモリ入出力回路M−I/Oは、図13の内部バスBUSに結合されるポートをその内部に持つ。
【0079】
DRAMは、また、配線群VL&CLを介して基板バイアス制御回路VBBCに結合される基板バイアス切替回路VBBM、内部電源回路IMVC、内部動作制御信号mq、pmq、リセット信号resb、及び制御バスCBUSを介しての各種動作制御信号を受けるメモリ制御回路MMC、及び電源初期化回路VINTCを持つ。上記内部電源回路IMVCには、前記昇圧回路、負電圧発生回路のようなチャージポンプ回路も含まれる。
【0080】
上記において、半導体集積回路装置を構成するためのデザインオートメーションにおける設計データの管理単位の都合などに応じて、より広い範囲の要素の集合をより少ない要素からなるとみなすこともできる。例えば、一つのメモリバンクにおけるメモリセルアレイ(MA1)、センスアンプ(SA1及びSA2)、ロウデコーダ(RD1)、及びカラムスイッチ(CS1)は、一つのメモリマットを構成するとみなすことができ、タイミング発生回路及びカラムセレクタ(TC1)はバンク制御回路を構成するとみなすことができる。この場合には、各メモリバンクは、より単純にメモリマットとバンク制御回路からなるとみなされることになる。
【0081】
図示のDRAMにおいて、上記メモリマットやその選択回路等は、独立のCMOS型半導体集積回路装置として構成される公知のDRAMのそれとほとんど同じにされる。それ故にその内部構成についての詳細な説明は避けることとするが、その概略を説明すると以下のようになる。
【0082】
〈メモリセルアレイMA1ーMAn〉
メモリセルアレイMA1のようなメモリセルアレイは、マトリクス配置された複数のダイナミック型メモリセルと、それぞれ対応するメモリセルの選択端子が結合される複数のワード線と、それぞれ対応するメモリセルのデータ入出力端子が結合される複数のビット線とを含む。
【0083】
メモリセルを構成する選択MOSFETは、P型単結晶シリコンからなるような半導体基板上に形成されたP型ウエル領域PWELL1にそのN型ソース領域及びN型ドレイン領域が形成されたような構造をとる。特に制限されないが、比較的低不純物濃度にされたN型分離用半導体領域によって半導体基板から電気的に分離されるようにされている。かかる分離領域は回路の電源端子vddのような正電位にされる。上記N型分離用半導体領域は、α粒子などに起因してP型半導体基板中に発生するような望ましくないキャリヤから、P型ウエル領域PWELL1を保護するように作用する。
【0084】
メモリセルが形成されるP型ウエル領域PWELL1は、DRAM内の内部電源回路IMVCによって形成される負電位の基板バイアス電圧vbbが与えられる。これによってメモリセルにおける選択用MOSFETのテーリング電流ないしはリーク電流が低減され、メモリセルにおける情報蓄積用容量の情報リークが軽減される。
【0085】
P型ウエル領域PWELL1上には、酸化シリコン膜からなるような絶縁膜を介してメモリセルにおける情報蓄積用容量が形成される。情報蓄積用容量の一方の電極は、選択用MOSFETのソース領域とみなせる電極領域に電気的に結合される。複数のメモリセルのための複数の情報蓄積用容量のそれぞれの他方の電極は、いわゆるプレート電極と称される共通電極とされる。プレート電極は、容量電極として所定の電位vplが与えられる。
【0086】
情報蓄積用容量は、メモリセルアレイのサイズを小さいものとするよう比較的小さいサイズを持つことが望まれるとともに、それ自体で長い情報保持時間を持つように大きい容量値を持つことが望まれる。情報蓄積用容量は、大きい容量値を持つように、その電極間に挟まれる誘電体膜が、例えば酸化タンタルもしくは酸化シリコンのような比較的大きい誘電率を持つ材料から選択され、かつ単位面積当たりの容量を増大するように極めて薄い厚さとされる。複数の情報蓄積用容量のためのプレート電極電位vplは、電圧変換回路IMVCによって形成されるところの回路の電源電圧vddの半分に等しいような中間電位にされる。
【0087】
これによって、情報蓄積用容量の一方の電極に蓄積すべき情報に応じて電源電圧vddレベルのようなハイレベルが供給された場合と、かかる一方の電極に回路の接地電位に等しいようなロウレベルが供給された場合とのどの場合であっても、プレート電極電位vplが電源電圧vddのほぼ半分の電位にされる。すなわち、誘電体膜に加わる電圧は、電源電圧vddのほぼ半分のような小さい値に制限される。これによって誘電体膜は、その耐圧の低下が可能となり、また印加電圧の減少に伴う不所望なリーク電流の減少も可能となるので、その厚さを限界的な薄さまで薄くすることが可能となる。
【0088】
〈タイミング発生及びカラムセレクタ〉
タイミング発生及びカラムセレクタTC1のようなタイミング発生及びカラムセレクタは、メモリ制御回路MCC内のグローバル制御回路からの動作制御信号によって動作制御されるとともに、バスADCBを介して供給されるバンク選択信号によって活性化ないしは選択され、メモリセルアレイのビット線のためのビット線プリチャージ回路、ロウデコーダ、センスアンプ、それ自身の内部におけるカラムセレクタ等の各種回路の動作制御のための各種内部タイミング信号を形成する。タイミング発生及びカラムセレクタにおけるカラムセレクタは、内部タイミング信号によってその動作が制御され、バスADCBを介して供給されるカラムアドレス信号をデコードし、カラムスイッチ回路CS1のような当該バンクにおけるカラムスイッチ回路を動作させるためのデコード信号を形成する。
【0089】
ロウデコーダRD1のようなロウデコーダは、タイミング発生及びカラムセレクタから供給されるタイミング信号によってその動作タイミングが制御され、バスADCBを介して供給されるアドレス信号をデコードし、対応するメモリセルアレイにおけるワード線を選択する。
【0090】
ビット線プリチャージ回路は、ロウデコーダが活性化される前のようなタイミングにおいてプリチャージタイミング信号によって動作され、対応するメモリセルアレイにおける各ビット線を電源電圧vddのほぼ半分の電圧に等しいようなレベルにプリチャージする。
【0091】
〈センスアンプ〉
センスアンプSA0、SA1のようなセンスアンプは、ロウデコーダが活性化された後にTC1のようなタイミング発生及びカラムセレクタ回路から発生されるセンスアンプ用タイミング信号によって動作され、ロウデコーダによって選択されたメモリセルによってビット線に与えられた信号、すなわち読み出し信号を増幅する。センスアンプにおける各ビット線に対応される複数の単位センスアンプのそれぞれは、良く知られたCMOS構成のセンスアンプと実質的に同じ構成にされる。
【0092】
単位センスアンプのそれぞれは、ゲート・ドレインが交差接続された一対のpMOSと、同様にゲート・ドレインが交差接続された一対のnMOSとをもつ。一対のpMOSのドレイン及び一対のnMOSのドレインは対応する対のビット線に結合される。一対のpMOSのソースは、共通接続され、センスアンプ用タイミング信号によって動作制御されるスイッチMOSFETを介して動作電位が与えられる。同様に一対のnMOSのソースは、共通接続され、センスアンプ用タイミング信号によって動作制御されるスイッチMOSFETを介して回路の接地電位のような動作電位が与えられる。
【0093】
上記動作電圧は、ビット線のハイレベルに対応した例えば電源電圧vddと、それよりも電圧にされた昇圧電圧vbsとが用いられる。センスアンプが増幅動作を開始し、ハイレベルに立ち上げるべきビット線の電位が所望の電圧に到達するまでの一定期間、上記昇圧電圧vbsによってセンスアンプの増幅動作が行われるという、いわゆるオーバードライブ方式が採用される。上記ビット線の電位が所望の電位vdd付近に到達すると、センスアンプの動作電圧は本来のビット線のハイレベルに対応した電源電圧vddに切り替えられる。
【0094】
メモリセルアレイを挟んでの2つのセンスアンプ配置は、次のような構成を意味する。すなわち、メモリセルアレイの一方の側のセンスアンプには当該メモリセルアレイの複数のビット線の内の飛び飛びのビット線が結合され、メモリセルアレイの他方の側のセンスアンプには当該メモリセルアレイの複数のビット線の内の残りの飛び飛びのビット線が結合される。この構成は、センスアンプを構成する複数のMOSFETを必要とされるサイズに応じて比較的大きいピッチをもって配置せざるを得ないときにおいて、メモリセルアレイにおける複数のビット線のピッチを微細化する上で効果的である。
【0095】
〈カラムスイッチ回路〉
カラムスイッチ回路CS1のようなカラムスイッチ回路は、対応するカラムセレクタから出力される選択信号によって動作される。カラムスイッチ回路によって、メモリセルアレイにおける複数のビット線の内のカラムセレクタによって指示されたビット線が選択され、メモリ内部バスIOBに結合される。
【0096】
〈メモリ入出力回路M−IO〉
メモリ入出力回路M−IOは、半導体集積回路装置の内部バスBUSに結合され、かかる内部バスBUSからのアドレス信号及び制御信号を受け、それを内部のバスADCBに伝送する。メモリ入出力回路M−IOは、また、バスBUSとメモリ内部バスIOBとの間のメモリデータの入出力を行う。
【0097】
〈メモリ制御回路MCC〉
メモリ制御回路MCCは、半導体集積回路装置の内部第1、第2動作制御信号mq、pmq、及びリセット信号resbを受け、それらの信号に応じた制御動作を行う。メモリ制御回路MCCは、特に制限されないが、第1動作制御信号mq及び第2動作制御信号pmqを受け、それに応じて内部動作制御信号bbczを形成する第1制御論理回路MSWと、第1動作制御信号mq及びリセット信号resbを受けそれに応じて実質的な初期化制御信号intgbを形成する第2制御論理回路VINTとを持つ。
【0098】
(基板バイアス切替回路VBBM)
基板バイアス切替回路VBBMは、基板バイアス制御回路VBBCから線群VL&CLを介して種々のバイアス電圧vbp、vbn、vbpg、vbng、及び制御信号vbcp、vbcnを受け、またメモリ制御回路MCCから制御信号bbczを受け、それらバイアス電圧と、制御信号による動作制御のもとでDRAM内の所要の回路部にバイアス電圧を供給する。
【0099】
(電圧変換回路MVC)
電圧変換回路IMVCは、DRAMの電源端子VDDと基準電位端子VSSとの間に供給される電源電圧を受け、前述のようなメモリセルアレイのための基板バイアス電圧vbb、プレート電圧vpl及びワード線の選択レベルを設定するための昇圧電圧vdh、センスアンプのオーバードライブ用の昇圧電圧vbsのような内部電圧を形成する。特に制限されないが、メモリセルアレイのための基板バイアス電圧vbbは、モジュールとしてのDRAM内の該回路IMVC内において形成される。負電位レベルのバイアス電圧vbb及び昇圧電圧vdh,vbsを形成する回路は、上記のように低電源電圧でも所望の負電圧を形成するよう工夫されている。
【0100】
この実施例のようにバイアス電圧vbbを独立的に形成する構成は、ダイナミック型メモリセルから読み出される情報信号が微小レベルであり、その微小レベルを乱さないようにp型ウエル領域pwell1の電位変動を抑制する上で有利である。かかるバイアス電圧vbb形成用の回路は、メモリセルアレイからそのp型ウエル領域pwell1に流れる不所望なリーク電流が一般的に小さいものであり、それに応じその出力能力も比較的小さいもので良いことから、それ自体の消費電力も十分に小さくし得るものである。
【0101】
(電源初期化回路VINTC)
電源初期化回路VINTCは、メモリ制御回路MCCによる動作制御のもとで、DRAM回路の初期化を行う。電源初期化回路VINTCの構成例及び初期化動作の詳細は、本願発明には直接関係がないでのその詳細な説明は省略する。
【0102】
上の記載において、用語「MOS」は、本来はメタル・オキサイド・セミコンダクタ構成を簡略的に呼称するようになったものと理解される。しかし、近年の一般的呼称でのMOSは、半導体装置の本質部分のうちのメタルをポリシリコンのような金属でない電気導電体に替えたり、オキサイドを他の絶縁体に替えたりするものもの含んでいる。CMOSもまた、上のようなMOSに付いての捉え方の変化に応じた広い技術的意味合いを持つと理解されるようになってきている。MOSFETもまた同様に狭い意味で理解されているのではなく、実質上は絶縁ゲート電界効果トランジスタとして捉えられるような広義の構成をも含めての意味となってきている。本発明のCMOS、MOSFET等は一般的呼称に習っている。
【0103】
図9には、上記メモリセルアレイとワード線選択回路の一実施例の回路図が示されている。同図においては、メモリアレイ部に含まれるビット線のイコライズ&プリチャージ回路も合わせて描かれている。同図のメモリマットは、上記バンクアドレス#0〜#nのうちの1つのバンク#jが代表として例示的に示されている。バンク(メモリマット)#jに設けられる複数の相補ビット線及び複数のワード線のうち、一対の相補ビット線BLm,/BLmと1本のビット線BLn、ワード線WL0,WLm、WLm+1,WLnが代表として例示的に示されている。
【0104】
ワード線WL0とビット線BLmとの交点に設けられたメモリセルを例にして説明すると、アドレス選択MOSFETQmのゲートは、ワード線に接続される。上記MOSFETQmの一方のソース,ドレインは、ビット線BLmに接続される。上記MOSFETQmの他方のソース,ドレインは、記憶キャパシタCsの一方の電極である蓄積ノードNsに接続される。そして、記憶キャパシタCsの他方の電極は、他のメモリセルの記憶キャパシタの他方の電極と共通化されて、プレート電圧VPLが印加される。
【0105】
上記のようなメモリセルは、ワード線と相補ビット線のうちの一方との交点にマトリッス配置される。例えば、ワード線WLmとそれと隣接するワード線WLm+1においては、ワード線WLmと相補ビット線のうちの一方のビット線BLmとの交点にメモリセルが設けられ、ワード線WLm+1と相補ビット線のうちの他方のビット線/BLmとの交点にメモリセルが設けられる。このようにワード線の奇数と偶数毎に相補ビット線の一方と他方に交互にメモリセルを配置することの他、互いに隣接する2本のワード線を一対として、かかる2本のワード線毎にそれぞれ設けられる2個ずつのメモリセルを相補ビット線の一方と他方に交互に配置するようにしてもよい。
【0106】
上記相補ビット線BLm,/BLmには、イコライズ&プリチャージ回路を構成するNチャンネル型MOSFETQ14〜Q16が設けられる。MOSFETQ14は、相補ビット線BLmと/BLmのハイレベルとロウレベル(又はロウレベルとハイレベル)を短絡してハーフ電位に設定する。MOSFETQ15とQ16は、相補ビット線BLm,/BLmの上記短絡によるハーフ電位がリーク電流等により変動するのを防止するためのものであり、ハーフプリチャージ電圧VMPを上記相補ビット線BLm,/BLmに供給する。これらのMOSFETQ14〜Q16のゲートは、共通に接続されてプリチャージ&イコライズ信号BLEQjが供給される。つまり、ワード線が選択レベルから非選択レベルにリセットされた後に、上記信号BLEQjがハイレベルに変化し、上記MOSFETQ14〜Q16をオン状態にして相補ビット線BLm,/BLmのプリチャージとイコライズ動作を行わせる。
【0107】
上記複数のワード線WL0〜WLnに対応して複数のワード線駆動回路WD0〜WDnが設けられる。同図では、そのうちワード線WLmに対応したワード線駆動回路WDmの具体的回路が代表として例示的に示されている。上記ワード線駆動回路WDmには、そのソースが前記昇圧回路からなる昇圧電源VDHに接続されたPチャンネル型MOSFETQ6と、回路の接地電位にソースが接続されたNチャンネル型MOSFETQ7とにより構成されたCMOSインバータ回路が用いられる。上記MOSFETQ6とQ7のドレインが共通接続され出力端子を構成し、上記ワード線WLmに接続される。上記MOSFETQ6とQ7のゲートは、共通接続されて入力端子を構成し、ロウ(X)デコーダRDECにより形成された選択信号が供給される。
【0108】
上記CMOSインバータ回路(Q6とQ7)の入力端子と上記昇圧電源VDHとの間には、そのソース−ドレイン経路が接続されたプリチャージ用のPチャンネル型MOSFETQ9と、非選択ラッチ用のPチャンネル型MOSFETQ8が並列形態に設けられる。上記非選択ラッチ用のPチャンネル型MOSFETQ8のゲートは、上記CMOSインバータ回路(Q6とQ7)の出力端子に接続される。上記プリチャージ用のPチャンネル型MOSFETQ9のゲートには、プリチャージ信号WPHが供給される。このプリチャージ信号WPHを形成する信号発生回路は、上記昇圧電源VDHを動作電圧として、ワード線の選択レベルに対応したハイレベルと回路の接地電位のようなロウレベルの信号WPHを形成する。
【0109】
上記MOSFETQ14は、レベルリミッタ用のMOSFETである。図示しないセンスアンプが電源電圧Vddで動作する場合、相補ビット線BLm又は/BLmの電位のハイレベルは電源電圧Vddに対応したものとなり、上記昇圧電圧VDHの電位は、上記電源電圧Vdd+Vthに形成される。ここで、Vthはアドレス選択MOSFETQmのしきい値電圧であり、センスアンプの増幅動作によって増幅された相補ビット線BLm又は/BLmの電源電圧Vddのようなハイレベルの信号をレベル損失なくキャパシタCsに伝えるようにされる。
【0110】
上記の実施例から得られる作用効果は、下記の通りである。すなわち、
(1) 動作電圧に対応したパルス信号を形成する駆動回路と、上記駆動回路により形成されたパルス信号によりチャージアップされるキャパシタとからなる複数個のチャージポンプ回路の組み合わせにより、上記動作電圧の複数倍の電圧差を持つようにされた内部ノードを持つ内部電源発生回路を備え、上記動作電圧の複数倍の電位差が発生する内部ノード間に、上記電圧発生動作のために用いられるMOSFETと同じ導電型のMOSFETを電圧緩和用MOSFETとして直列に挿入し、かかる電圧緩和用MOSFETのゲートには上記電圧発生動作に対応し、かつ、そのドレイン電圧よりも上記動作電圧分だけ低い電圧を供給することより、動作電圧の複数倍の電圧を得るとともに素子への印加電圧を緩和し、その信頼性を保つようにした内部電圧発生回路を得ることができるという効果が得られる。
【0111】
(2) 上記内部電圧発生回路として、第1の駆動回路と第1のキャパシタからなる第1のチャージポンプ回路とで構成された2倍昇圧回路を構成し、上記2倍昇圧回路で形成された昇圧電圧を動作電圧とする第2の駆動回路と、第2のキャパシタからなる第2のチャージポンプ回路で構成された3倍昇圧回路を構成しつつ、上記第2のチャージポンプ回路のキャパシタの出力側と動作電圧端子に、上記第2のキャパシタを動作電圧にプリチャージする第1のMOSFETと、上記2倍昇圧電圧で形成された昇圧電圧がゲートに印加された第2のMOSFETとを直列形成に接続することにより、各MOSFETのソース−ドレイン間にはほぼ動作電圧に対応した低い電圧のみしか印加さないようにすることがきるという効果が得られる。
【0112】
(3) 上記内部電圧発生回路として、第1のタイミングでは複数のキャパシタを上記動作電圧に対応してそれぞれプリチャージし、第2のタイミングでは上記複数のキャパシタを直列形態に接続して上記動作電圧の複数倍の電圧を形成するものとし、上記複数倍の電圧を形成するノードと接地電位との間、電源電圧と上記キャパシタの直列接続点との間に、上記キャパシタをプリチャージするためのMOSFETと、上記動作電圧相当分だけ小さな電圧がゲートに印加された電圧緩和用MOSFETとを直列形態に接続することにより、高電圧を形成しつつ各MOSFETのソース−ドレイン間にはほぼ動作電圧に対応した低い電圧のみしか印加さないようにすることがきるという効果が得られる。
【0113】
(4) 上記内部電圧発生回路として、第1のタイミングではプリチャージ動作を行い、第2のタイミングでは動作電圧に対応した負電圧を発生するチャージポンプ回路を更に備え、第1のタイミングでは第1のキャパシタと第2のキャパシタとを上記動作電圧に対応した正電圧でプリチャージ動作を行わせ、第2のタイミングでは上記第1のキャパシタと第2のキャパシタとを直列に接続して、接地電位を基準にして上記動作電圧に対して2倍に相当する負電圧を形成して、Pチャンネル型の整流MOSFETの制御信号を形成し、上記Pチャンネル型の整流MOSFETを上記第1のタイミングのプリチャージ電圧によりオフ状態し、上記第2のタイミングでは、上記2倍に相当する負電圧によりオン状態にされて上記チャージポンプ回路で形成された負電圧の出力動作を行わせることにより、負電圧を効率よく形成することができるという効果が得られる。
【0114】
(5) 複数のワード線と複数の相補ビット線対と、上記ワード線と上記相補ビット線の一方との間に設けられ、ゲートが上記ワード線に接続され、一方のソース,ドレインが対応する上記一方の相補ビット線に接続されたアドレス選択MOSFET及び上記アドレス選択MOSFETの他方のソース,ドレインが一方の電極に接続され、他方の電極に所定の電圧が印加されてなる記憶キャパシタからなるダイナミック型メモリセルと、上記交差接続されたゲートとドレインが上記複数の相補ビット線対にそれぞれ接続され、動作電圧側の増幅部を構成する複数対のPチャンネル型MOSFET及び上記交差接続されたゲートとドレインが上記複数の相補ビット線対にそれぞれ接続され、接地電位側の増幅部を構成する複数対のNチャンネル型MOSFETとからなるセンスアンプを含むダイナミック型RAMにおいて、上記アドレス選択用MOSFETのゲートが接続されるワード線の選択レベルを上記昇圧回路で形成することにより、低電圧まで安定的に動作するダイナミック型RAMを内蔵した半導体集積回路装置を得ることができるという効果が得られる。
【0115】
以上本発明者よりなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本願発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、昇圧回路は、前記ダイナミック型メモリセルのワード線選択レベルを形成するもの他、動作電圧以上にされた高電圧を必要とするものに広く利用できる。負電圧は、ダイナミック型メモリセルが形成される基板ゲートに与えられるバックバイアス電圧の他、正電圧と負電圧からなる二電源で動作する演算増幅回路等のアナログ回路の動作電源として用いるものであってもよい。この発明は、チャージポンプ回路により電源電圧等の動作電圧に対して複数倍にされた電位差を持つようにされた内部ノードを持つ半導体集積回路装置に広く利用することができる。
【0116】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。すなわち、動作電圧に対応したパルス信号を形成する駆動回路と、上記駆動回路により形成されたパルス信号によりチャージアップされるキャパシタとからなる複数個のチャージポンプ回路の組み合わせにより、上記動作電圧の複数倍の電圧差を持つようにされた内部ノードを持つ内部電源発生回路を備え、上記動作電圧の複数倍の電位差が発生する内部ノード間に、上記電圧発生動作のために用いられるMOSFETと同じ導電型のMOSFETを電圧緩和用MOSFETとして直列に挿入し、かかる電圧緩和用MOSFETのゲートには上記電圧発生動作に対応し、かつ、そのドレイン電圧よりも上記動作電圧分だけ低い電圧を供給することより、動作電圧の複数倍の電圧を得るとともに素子への印加電圧を緩和し、その信頼性を保つようにした内部電圧発生回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る昇圧電圧発生回路の一実施例を示す回路図である。
【図2】図1の昇圧回路の動作を説明するための内部電圧波形図である。
【図3】この発明に係る負電圧発生回路の一実施例を示す回路図である。
【図4】図3の負電圧発生回路の動作を説明するための内部電圧波形図である。
【図5】本発明に係る3倍昇圧電圧発生回路の一実施例を示す回路図である。
【図6】図5の3倍昇圧電圧発生回路の動作を説明するための内部電圧波形図である。
【図7】本発明が適用されるシステムLSIの一実施例を示す全体の回路ブロック図である。
【図8】この発明が適用される半導体集積回路装置に搭載されるダイナミック型RAMの一実施例を示すブロック図である。
【図9】図8のダイナミック型RAMのメモリセルアレイ部の一実施例を示す回路図である。
【図10】この発明に先立って検討された昇圧電圧発生回路の一例を示す回路図である。
【図11】この発明に係る昇圧電圧発生回路の特徴部を示す概略回路図である。
【図12】この発明に係る倍電圧発生回路の他の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
M1〜M26…MOSFET、OR1,OR2…ノアゲート回路、i1〜i10…インバータ回路、CB1〜CB8,CG,CD…キャパシタ、I1〜I8…インバータ回路、
IO…入出力回路、VBBC…基板バイアス制御回路、ULC…制御回路、ROM…リードオンリメモリ、DAC…D/A変換器、ADC…A/D変換器、IVC…割り込み制御回路、CGC…クロック発生回路、CPU…中央処理装置、SRAM…スタティックメモリ、DMAC…DMAコントローラ、DRAM…ダイナミックメモリ、BUS…内部バス、
CLC…論理回路、VL&CL…配線群、MA…メモリアレイ、SA…センスアンプ、CS…カラムスイッチ、TC…カラムセクレタ、RD…ロウデコーダ、M−IO…メモリ入出力回路、VBBM…基板バイアス切替回路、IMVC…内部電源回路、MMC…メモリ制御回路、VINTC…電源初期化回路、IMVC…電圧変換回路、ADCB…アドレス、制御バス。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technology that is effective for use in a semiconductor integrated circuit device including a dynamic RAM (Random Access Memory) incorporating a boosted voltage generation circuit.
[0002]
[Prior art]
For example, JP-A-3-214669 discloses a dynamic RAM including a pumping circuit for generating a substrate back bias voltage and a boosted voltage. The pumping circuit (charge pump circuit) for generating the substrate back bias voltage and the boosted voltage in this publication is composed of a main circuit and a sub circuit, and the sub circuit has only a small current supply capability to compensate for leakage current and the like. The
[Problems to be solved by the invention]
[0003]
In recent years, in semiconductor integrated circuits such as memories and microprocessors, a positive and negative charge pump circuit is often provided in a chip in order to make a user-friendly external single power supply and improve device performance. However, in the address selection MOSFET constituting the memory cell in the dynamic RAM, it is difficult to lower the threshold voltage in accordance with the scaling law because the subthreshold current is increased and the information holding time is shortened. Therefore, the voltage to be generated in the charge pump circuit even if the element is miniaturized, in other words, the selection level of the address selection MOSFET cannot be lowered in proportion to the element size, and is close to the element breakdown voltage. Ensuring the reliability of these elements is an important issue.
[0004]
FIG. 10 shows a booster circuit studied prior to the present invention. In this circuit, after precharging the capacitors CB1, CB2, and CB4 to VDD, the nodes N1 and N2 are set to VDD. At this time, the charge of the capacitor CB2 passes through the MOSFET M8, and the drain and source sides of the capacitor CB4 are set to 2VDD. For this reason, the gate side potential of the capacitor CB4 is 3VDD. In this circuit, the gate voltage of the rectifying MOSFET M1 is boosted to 3VDD, so that the current supply capability can be increased.
[0005]
For example, when an element made by a 0.3 μm process is used, VCH = 4.0 V when VDD = 2.9 V, VTN (M1) = 1 V, W / L (M1) = 75 μm / 1 μm, and load current = 2 mA. The voltage 3.8V necessary for full writing to the memory cell is sufficiently satisfied. However, since a maximum voltage of 2VDD is applied to the MOSFET M7, the gate breakdown voltage of the element is exceeded. Usually, the allowable electric field of the gate oxide film is 5 MV / cm or less. However, in this circuit, when tox = 8 nm, when VDD = 3.7V, the gate-source voltage of the MOSFET M7 reaches 7.2V, and the electric field reaches 9MV / cm, which is far beyond the allowable value.
[0006]
An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit device having an internal voltage generation circuit that relaxes a voltage applied to an element while maintaining a high voltage that is a multiple of the operating voltage and maintains its reliability. It is in. The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, in a charge pump circuit driven by a power supply voltage VDD, a MOSFET of the same conductivity type is connected in series to a MOSFET to which a maximum voltage of 2 VDD or a voltage close to it is applied between the drain and source, and the gate thereof A potential VD-VDD lower than VDD by a drain potential VD before turning on. The gate potential is generated directly or from a part of the node of the charge pump circuit that generates a voltage pulse synchronized with the voltage between the drain and source of the MOSFET, or is branched by a capacitor from another node through another rectifying element. obtain.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 11 shows a characteristic portion of the boosted voltage generating circuit according to the present invention. In the present invention, in order to efficiently output the boosted voltage Vpp, 3VDD output from the second booster circuit is supplied to the gate of the MOSFET M1 included in the rectifier circuit RC. Here, the second booster circuit BC2 includes a capacitor CB4, a MOSFET M7 that precharges the capacitor CB4, a withstand voltage reducing MOSFET M14 provided between the MOSFET M7 and the capacitor CB4, and a rectifying MOSFET M13.
[0009]
Capacitor CB4 is precharged to VDD by MOSFET M7, and boosts node N5 to 3VDD in response to the change in output φ4 of first booster circuit BC1 from VDD to 2VDD. When the node N5 is set to 3VDD, the output φ3 of the first booster circuit is input to the gate of the MOSFET M14, and the voltage between the source and drain of the MOSFET M7 is relaxed to VDD-VTN instead of 2VDD. Hereinafter, although the present application focuses on the relaxation of the voltage between the source and the drain, the voltage between the source and the gate is also relaxed in the same manner. When attention is paid to one MOSFET, the electric field in the MOSFET is also reduced by relaxing the voltage between the two nodes.
[0010]
With such a configuration, the voltage between the source and drain of the MOSFET M7 does not exceed VDD, and the breakdown voltage against gate breakdown can be improved even when an element having a low gate breakdown voltage is used. Here, the outputs φ1 to φ4 of the first booster circuit BC1 mean the outputs of the double booster circuit that swings between VDD and 2VDD, but they are not necessarily output from different nodes, and φ3 and φ4 are the same. It may be output from the node, and φ1 and φ4 may be output from the same node. Further, in the above description, 2VDD represents a potential twice as high as VDD in consideration of an ideal state, and 3VDD represents a potential as 3 times as high as VDD. However, in reality, the potential drops slightly according to the charge share of the realization circuit and takes a slightly small value.
[0011]
FIG. 1 is a circuit diagram showing one embodiment of a boosted voltage generating circuit according to the present invention. In the figure, the P-channel type MOSFET is distinguished from the N-channel type MOSFET by adding a circle indicating that the low level is the active level to the gate portion. Further, the MOSFETs M1, M7, M8, M13, etc., in which the substrate gate and the source are connected in common, are formed in an electrically isolated well region. Therefore, the N-type well region DWLL is formed at a deep depth on the P-type substrate, and the N-channel MOSFET is formed by forming the P-type well region PWELL in the DELL.
[0012]
The boosted voltage generating circuit of this embodiment has an internal voltage in consideration of the low withstand voltage of the miniaturized MOSFET in addition to a device for efficiently forming the boosted voltage Vpp under the low power supply voltage VDD. It is devised not to exceed VDD. In this embodiment, the booster circuit is configured by combining four circuits. FIG. 2 shows an internal voltage waveform diagram for explaining the operation.
[0013]
The NOR gate circuit OR1 constitutes a drive circuit and constitutes a charge pump circuit together with the capacitor CB3. Similarly, the same applies to the NOR channel circuit OR2, the capacitor CB2, the inverter circuit i10, the capacitor CB1, and the P channel MOSFET M8, the N channel MOSFET M9, the N channel MOSFET M10, and the capacitor CB4 that use the boosted voltage formed by the capacitor CB2. A charge pump circuit is configured. The MOSFET M6 constitutes a precharge circuit for the capacitor CB6, the MOSFET M3 constitutes a precharge circuit for the capacitor CB2, and the MOSFET M2 constitutes a precharge circuit for the capacitor CB1. The MOSFET M7 constitutes a precharge circuit for the capacitor CB4, and the MOSFET M14 is provided for relaxing the voltage.
[0014]
As shown in the timing chart of FIG. 2, the potential of the node N1 changes to 0V-VDD in response to the oscillation pulse OSC, and the potential of the output side node N4 of the capacitor CB4 driven thereby is 2VDD at the maximum. Then, the operation is lowered by the charge transfer (current injection) to the output capacitor CD through the rectifying MOSFET M1, and the operation of changing to 2VDD again is repeated. In this embodiment, the drive voltage supplied to the gate of the rectifying MOSFET M1 is increased to 3VDD to increase the charge pump efficiency.
[0015]
In order to form the high voltage 3VDD, the boosted voltage 2VDD of the node N7 formed by the capacitor CB2 is used as the drive voltage of the capacitor CB4. The capacitor CB3 forms a drive voltage for the MOSFET M3 that precharges the capacitor CB2 to VDD. That is, the potential of the node N6 is changed to VDD-2VDD to drive the MOSFETs M3, M2, and M7, and the capacitors CB1, CB2, and CB4 are precharged to VDD without loss of the threshold voltage of the MOSFETs, respectively. Let
[0016]
The MOSFETs M4 and M11 precharge the nodes N6 and N7 to VDD-VTH (VTH is the threshold voltage of the MOSFET) in the initial state when the supply of the pulse OSC is started. When the potentials of the nodes N7 and N6 rise by the boosting operation, the capacitors CB2 and CB3 are precharged by the MOSFETs M6 and M3, and are precharged to VDD without loss of the threshold voltage as described above.
[0017]
In this embodiment, the MOSFET M14 is relaxed between the drain and the source of the precharge MOSFET M7 of the capacitor CB4 at the timing when the rectifying MOSFET M1 is turned on in order to ease the application of the voltage of 2VDD as described above. Is provided. That is, the MOSFET M14 is inserted in the precharge path of the capacitor CB4, but the operation itself plays a role of voltage relaxation between the source and drain of the MOSFET M7.
[0018]
In this embodiment, although not particularly limited, a capacitor CG for holding a boosted voltage 2VDD formed by the capacitor CB2 is provided, and the boosted voltage of 2VDD held here is supplied to the gate of the voltage relaxation MOSFET M14. . In order to perform the rectifying operation to the capacitor CG, a MOSFET M13 is provided, and the potential of the output node N5 on the boosting side of the capacitor CB4 is applied to the gate thereof. During the boosting operation, the MOSFET M13 is turned on and 2VDD of the node N7 is supplied. Is transmitted to the capacitor CG.
[0019]
When the potential of the node N2 becomes low level by the oscillation pulse OSC and the precharge voltage VDD is applied to the node N7, a precharge voltage such as VDD is also applied from the MOSFETs M7 and M14 to the node N5 correspondingly. . As a result, the MOSFET M13 is turned off, the potential of 2VDD is held in the capacitor CG, and the double boosted voltage 2VDD is applied to the MOSFET M14 similarly to the MOSFET M7, so that the capacitor CB4 is brought to the power supply voltage VDD. Can be precharged.
[0020]
As described above, when the MOSFET M14 is provided as a voltage relaxation element and the gate potential thereof is boosted to 3VDD and at the same time 2VDD, the maximum voltage in this circuit is applied between the drain and source of the MOSFET M7 when the MOSFET M14 is not provided. 2VDD to VDD + VNT applied between the drain and source of MOSFET M14. Here, VTN is the threshold voltage of MOSFET M14, and its back gate potential is VDD, so it is 0.5 V or less. As described above, by setting the back gate potential of the MOSFET M14 to VDD, the threshold voltage of the MOSFET M14 is lowered and the drain-source voltage is lowered. In addition, a capacitor is formed by a PN junction diode formed between the back gate and the node N5. There is also an advantage that CB4 is precharged quickly.
[0021]
This reduces the time from power-on to the desired output level. If the back gate of the MOSFET M14 is connected to VSS, since the nodes N5 and N8 are almost 0V immediately after power-on, the rise is very slow. Here, the capacitor CG is a capacitor for stabilizing the potential of the node N8. This keeps the potential of the node N8 at approximately 2VDD even if the boosting timings of the node N8 and the node N5 are slightly shifted, and prevents an excessive voltage from being applied between the drain and source of the MOSFET M14. However, since the time is usually short, it may not be necessary if the device has a sufficient withstand voltage.
[0022]
FIG. 12 is a circuit diagram showing another embodiment of the voltage doubler generating circuit according to the present invention. This embodiment is a modification of FIG. 1 except that the drain of the withstand voltage reducing MOSFET M13 connected to the node N7 in FIG. 1 is connected to the node N4 of the capacitor CB1 instead of the node N7. Other configurations are the same as those in FIG.
[0023]
As can be seen from FIG. 1 and FIG. 2, in the voltage doubler generation circuit shown in this embodiment, the potential at the node N5 is pulled down before the node N4 in order to prevent the charge from flowing backward from the node N10 to the node N4 through the MOSFET Ml. I am doing so. Therefore, according to the present embodiment, since the potential of the node N5 is lowered to the VDD level and the MOSFET M13 is sufficiently cut off, the node N4 is pulled down, so that the backflow of the charge at the node N8 is completely prevented. be able to. Therefore, there is an advantage that the potential holding capacitor CG of FIG. 1 can be omitted.
[0024]
FIG. 3 is a circuit diagram showing one embodiment of the negative voltage generating circuit according to the present invention. The circuit symbols attached to the respective elements in the figure partially overlap those in FIG. 1 for easy understanding of the drawing, but it should be understood that each has a separate circuit function. The same applies to other drawings described below.
[0025]
In this embodiment, although not particularly limited, the main MOSFET is configured as a P-channel type. These P-channel MOSFETs are formed in the N-type well region. Therefore, it can be electrically separated from the P-type well region where the memory cell is formed, and minority carriers are generated in the N-type well region in the charge pump operation. Therefore, it is used for the negative voltage generating circuit of the dynamic RAM. In this case, there is no influence on the memory cell formed in the P-type well region.
[0026]
A basic circuit of a pumping circuit that generates a negative voltage VBB is configured by a driving circuit including a CMOS inverter circuit I1 using a capacitor CB1, a P-channel MOSFET, and an N-channel MOSFET formed by using a MOS capacitor. The capacitor CB2 and the CMOS inverter circuit I2 are similar basic circuits, but the input pulses OSC and OSCB have a reverse phase relationship in which their active levels do not overlap with each other, and operate alternately according to the input pulse. Efficient charge pump operation.
[0027]
The rectifying MOSFETs M1 and M2 may basically be in the form of a diode, but if this is done, a level loss corresponding to the threshold voltage will occur. When the high level of the pulse signal OSC is a low voltage of about 3.3V, it substantially does not operate. Therefore, focusing on the fact that the MOSFET M2 only needs to be turned on when the input pulse OSC is at a high level, the inverter circuit I3 that drives the capacitor CB3 by forming a pulse similar to the input pulse, and the inverter circuit I3 When the input pulse OSC is at a low level, the capacitors CB3 and CB5 are precharged to VDD, respectively, and when the input pulse OSC is at a high level, the capacitors are connected in series, and the output signal of the inverter circuit I3 has a low level (0V). ) Is generated at the node N3, and the rectifying MOSFET M1 is turned on.
[0028]
In this configuration, when the MOSFET M1 is turned on, the gate voltage can be lowered by VDD with respect to the source-drain, so that the negative voltage formed by the capacitor CB1 without level loss due to the threshold voltage. Can be output. As a result, the output voltage VBB can be reduced to -VDD.
[0029]
The N-channel MOSFET M11 operates as a switch for connecting the two capacitors CB3 and CB5 in series, and together with the P-channel MOSFETs M13 and M15, forms a precharge path for the capacitor CB3 to VDD. The MOSFETs M13 and M15 and the MOSFETs M21 and M5 form a path for precharging the capacitor CB5 to VDD. Of the two MOSFETs M13 and M15 and the MOSFETs M5 and M21, the MOSFETs M13 and M5 are provided in order to constitute the original precharge circuit, respectively. Provided for mitigation.
[0030]
When a negative voltage is generated, the MOSFET M13 is supplied with a power supply voltage such as VDD on one end side and is supplied with a negative voltage −VDD formed by the capacitor CB2 on the other end side. Such a high voltage difference will occur. In order to alleviate such a high voltage, a MOSFET M15 is provided in series, and a ground potential of 0 V is applied to the gate of the MOSFET M15 so that each source and drain are shared by approximately VDD. Similarly, when the negative voltage is generated, a large voltage such as −2VDD is formed by the capacitor CB5 and applied to both ends of the MOSFET M5 of the precharge circuit. In order to alleviate such a high voltage, a MOSFET M21 is provided in series with the MOSFET M5, and -VDD is applied to its gate. As a result, approximately VDD is divided and applied between the source and drain of each MOSFET.
[0031]
The capacitor CB7, the MOSFET M17, and the MOSFET M19 are charge pump circuits that form -VDD applied to the gate of the voltage relaxation MOSFET M21. Although not particularly limited, the negative voltage -VDD is held by the capacitor CG. The gate voltage of the MOSFET M21 is constantly biased to -VDD.
[0032]
The MOSFET M3 is turned off at an early timing by receiving the high level output signal of the driving inverter circuit I2 that receives the other input pulse OSCB at the back gate (channel portion), thereby efficiently extracting the substrate potential. Similarly, the output signal of the driving inverter circuit I1 is supplied to the back gate of the MOSFET M1, thereby turning off the MOSFET M1 at an early timing when charging the capacitor CB1 and minimizing the leakage of the negative voltage VBB. .
[0033]
The control signal supplied to the gate of the MOSFET M2 corresponding to the other input pulse OSCB, the back gate voltage of the MOSFETs M4 and M1, the pulse signal formed by the inverter circuit I2 and the capacitors CB4 and CB6, and the input pulse A pulse signal formed based on OSC is used. In this case, as described above, the MOSFET M14 to which a high voltage having a voltage difference such as 2VDD between + V and −V is applied is provided with a voltage relaxation MOSFET M16 in series, and −2VDD is applied to both ends of the MOSFET M6. Are provided in series with a MOSFET M22 for voltage relaxation.
[0034]
FIG. 4 shows an internal voltage waveform diagram of the negative voltage generating circuit of FIG. The feature of this circuit is that MOSFETs M21, M22, M15, and M16 are provided in series as the breakdown voltage reducing elements for the MOSFETs M5, M6, M13, and M14 shown in FIG. 3, and the gate potentials of the MOSFETs M21 and M22 are set to the node N3 or N4 Is set to -VDD as it is boosted to -2VDD. The gate potentials of the MOSFETs M15 and M16 are always set to VSS (0V).
[0035]
As a result, as shown in the voltage waveform diagram of FIG. 4, the maximum voltage of this circuit is applied between the drain and source of the MOSFETs M5, M6, M13, and M14 in the absence of the MOSFETs M21, M22, M15, and M16. The voltage 2VDD is suppressed to VDD + | VTP | applied between the drains and sources of the MOSFETs M21, M22, M15, and M16. Here, | VTP | is the absolute value of the threshold voltage of MOSFETs M15, M16, M21, and M22. Here, the capacitor CG suppresses the fluctuation of the node N17 as in the embodiment of FIG. 1, and prevents an excessive voltage from being applied to the MOSFETs M21 and M22. Of course, there may not be a case where the MOSFETs M21 and M22 have a sufficient withstand voltage.
[0036]
FIG. 5 shows a circuit diagram of an embodiment of the triple boosted voltage generating circuit according to the present invention. FIG. 6 shows an internal voltage waveform diagram for explaining the operation. In this embodiment, a double boosted voltage 2VDD is formed by the CMOS inverter circuit I3 constituting the drive circuit and the capacitor CB5, and the triple boosted voltage is formed by the drive circuit (M27, M29, M31) operating at this voltage and the capacitor CB1. And 3VDD is held in the output capacitor CD through the P-channel rectifier MOSFET M2. A double boosted voltage 2VDD is formed by a CMOS inverter circuit I4 and a capacitor CB6 constituting a similar drive circuit, and a triple boosted voltage is formed by a drive circuit (M28, M30, M32) operating at this voltage and a capacitor CB2. The output capacitor CD holds 3VDD through the P-channel type rectifying MOSFET M2.
[0037]
The pulses F1B and F1 input to the two sets of circuits have an anti-phase relationship in which their active levels do not overlap with each other, and the two sets of circuits are operated in response to the input pulses to generate waveforms. As shown in the figure, an efficient charge pump operation is performed.
[0038]
The feature of this circuit is that MOSFETs M13, M14, M11, and M12 are provided as voltage relaxation elements for the MOSFETs M15, M16, M21, and M22 shown in FIG. 5, respectively, and the nodes N9 and N11 or N10 and N12 are boosted to 3VDD. In synchronization, the gate potentials of the MOSFETs M13, M14, M11, and M12 are set to 2VDD. As a result, the maximum voltage of this circuit is suppressed from 2 VDD to VDD + VTN applied between the drains and sources of the MOSFETs M11 to M13 when the MOSFETs M11 to M13 are not provided. It is done. Here, VTN is a threshold voltage of MOSFETs M11 to M13.
[0039]
Needless to say, if a capacitor is inserted between the node N17 and VDD or VSS as described above, the voltage fluctuation amount of the node is reduced, and the reliability of the MOSFETs M11 to M13 can be further increased. Further, as shown in the figure, the back gates of the MOSFETs M11 to M16 and M21 and M22 should be connected to VDD in order to speed up the rise of the nodes N9, N10, N11, and N12 when the power is turned on.
[0040]
As described above, the gate potential of the voltage relaxation MOSFET is directly or directly branched from a part of the nodes of the charge pump circuit generating a voltage pulse synchronized with the voltage between the drain and source of the MOSFET. To obtain it via another rectifying element. As a result, the gate potential generating circuit and the drive circuit for the charge pump circuit can be shared, so that the area occupied on the chip can be reduced. Further, since the boosting timing of the gate potential and the boosting timing of the drain potential are synchronized, it is not necessary to add a smoothing capacitor to stabilize the gate potential, and the occupied area on the chip can be reduced.
[0041]
FIG. 7 is an overall circuit block diagram of an embodiment of a system LSI to which the present invention is applied. The semiconductor integrated circuit device CHIP of the embodiment includes a plurality of circuit blocks as shown in the figure, that is, an input / output circuit I / O, a substrate bias control circuit VBBC, a control circuit ULC, a read only memory ROM, a D / A converter DAC, A It includes a / D converter ADC, an interrupt control circuit IVC, a system power management circuit SPMC having a clock generation circuit CGC, a central processing unit CPU, a static memory SRAM, a DMA controller DMAC, and a dynamic memory DRAM.
[0042]
These circuit blocks are coupled to an internal bus BUS and a control bus CBUS. They are mounted on a semiconductor substrate (not shown) that constitutes the semiconductor integrated circuit device. The system power management circuit SPMC has a function of controlling power consumed in each module mounted on the system LSI.
[0043]
The semiconductor integrated circuit device includes input / output external terminals Tio1 to Tion connected to the input / output circuit I / O, an external terminal T1 to which a reset signal resb such as a negative logic level is supplied, a control external terminal T2, and a first control terminal. A first operation control external terminal T3 to which the operation control signal cmq is supplied, a second operation control external terminal T4 to which the second operation control signal cpmq is supplied, and a clock external terminal to which the external clock signal clk is supplied T5 and a plurality of power supply external terminals T6, T7, T8 to which a plurality of power supply voltages (vdd, vccdr, vss) are supplied.
[0044]
Although not particularly limited, the power supply voltage vdd is a power supply voltage for the operation of the internal circuit block and takes a value such as 1.8 volts ± 0.15 volts. The power supply voltage vccdr is a power supply voltage set mainly for the input / output circuit I / O according to the input / output level required for the semiconductor integrated circuit device, and is 3.3 volts ± 0.3 volts. One of values such as 5 volts ± 0.25 volts and 1.8 volts ± 0.15 volts is taken. The potential vss is a circuit reference potential called a so-called ground potential.
[0045]
The illustrated semiconductor integrated circuit device constitutes a so-called ASIC (Application Specific Integrated Circuits), that is, an application specific IC. That is, most of the illustrated circuit blocks form so-called modules or macro cells as independent circuit functional units so as to facilitate the ASIC configuration. Each functional unit can be changed in scale and configuration. As the ASIC, among the illustrated circuit blocks, circuit blocks that are not required by the electronic system to be realized can be prevented from being mounted on the semiconductor substrate. Conversely, a functional unit circuit block (not shown) may be added.
[0046]
The semiconductor integrated circuit device is not particularly limited, but a semiconductor integrated circuit having a CMOS structure capable of a low power supply voltage so as to exhibit sufficient operating characteristics even under a low power supply voltage vdd such as 1.8 volts ± 0.15 volts. It is considered as a device.
[0047]
A dynamic memory mounted on a semiconductor integrated circuit device may be operated by the power supply voltage vdd. However, in the semiconductor integrated circuit device of this embodiment, a high power supply voltage generated from a voltage generation circuit operated by the power supply voltage vdd is used together with the power supply voltage vdd for the dynamic memory. In a dynamic memory, a circuit such as a row decoder for selecting a dynamic memory cell is operated with such a high power supply voltage, and a circuit for inputting / outputting a signal to / from the internal bus BUS of the semiconductor integrated circuit device is provided. It is operated by a power supply voltage such as a low power supply voltage vdd. This configuration increases the amount of charge as information given to the dynamic memory cell. Thereby, the information retention time characteristic of the dynamic memory can be improved. Similarly, by driving the sense amplifier by the overdrive method using the boosted voltage vbs as described above, a high-speed read operation can be performed.
[0048]
(Central processing unit CPU)
The central processing unit CPU is not particularly limited, but has the same configuration as a so-called microprocessor. That is, although the details are not shown in the figure, the central processing unit CPU decodes an instruction register therein, an instruction written in the instruction register, and forms various microinstructions or control signals, a microinstruction ROM, an arithmetic circuit, a general purpose It has input / output circuits such as a register (RG6, etc.), a bus driver coupled to the internal bus BUS, and a bus receiver.
[0049]
The central processing unit CPU reads an instruction stored in a read-only memory ROM or the like and performs an operation corresponding to the instruction. The central processing unit CPU captures external data input via the input / output circuit I / O, inputs / outputs data to / from the control circuit ULC, and commands from the read-only memory ROM and fixed data required for command execution. Data reading, supply of data to be D / A converted to the D / A converter DAC, reading of data A / D converted by the A / D converter, static memory SRAM, dynamic memory DRAM Data read / write to / from, DMA controller DMAC operation control, and the like are performed. The control bus CBUS is used for operation control of the circuit block shown in the figure by the central processing unit CPU, and is used to transmit a state instruction signal from a circuit block such as the DMA controller DMAC to the central processing unit CPU.
[0050]
The central processing unit CPU refers to the operation control signal set in the instruction register RG5 and the like in the interrupt control circuit IVC via the internal bus BUS and performs necessary processing. The central processing unit CPU receives the system clock signal C2 generated from the clock generation circuit CGC, and is operated with an operation timing and a period determined by the system clock signal C2.
[0051]
The central processing unit CPU includes a CMOS circuit, that is, a circuit composed of a pMOS and an nMOS. Although not particularly limited, the CMOS circuit constituting the central processing unit CPU includes a CMOS static logic circuit (not shown), a CMOS static circuit capable of static operation such as a CMOS static flip-flop, and a precharge of charge to a signal output node. And a CMOS dynamic circuit which performs signal output to the signal output node in synchronization with the system clock signal C2.
[0052]
When the supply of the system clock signal C2 from the clock generation circuit CGC is stopped, the central processing unit CPU is brought into an operation stop state accordingly. In the stop state, the output signal of the dynamic circuit is undesirably changed by an undesired leakage current generated in the circuit. A circuit such as a register circuit having a static flip-flop circuit configuration retains previous data even during a non-supply period of the system clock signal.
[0053]
In the non-supply period of the system clock signal C2, signal level transitions at various nodes in the static circuit inside the central processing unit CPU are stopped, and discharge or precharge at the output node in the dynamic circuit is stopped. . In this state, a relatively large current consumption such as an operating current consumed by the operating CMOS circuit, that is, a power supply line is applied so as to give a signal displacement to the stray capacitance and parasitic capacitance of various nodes and wirings connected to each node. The charge / discharge current is substantially zero. For this reason, the central processing unit CPU flows only a small current equal to the leakage current of the CMOS circuit, and enters a low power consumption state.
[0054]
(Interrupt control circuit IVC)
The interrupt control circuit IVC receives a reset signal such as a negative logic level at the external terminal T1, receives the first operation signal cmq through the external terminal T3, receives the second operation control signal cpmq through the external terminal T4, Further, a state instruction signal for instructing the operation state of the semiconductor integrated circuit device is output to the external terminal T2. The interrupt control circuit IVC has a register RG5 in which bits at respective positions are set corresponding to the reset signal resb, the operation control signals cmq, cpmq, and the state instruction signal.
[0055]
The state instruction signal in the register RG5 is updated by the central processing unit CPU via the internal bus BUS. The operation control signals cmq and cpmq set in the register RG5 via the external terminals T3 and T4 are referred to by the central processing unit CPU via the internal bus BUS as described above.
[0056]
Although not particularly limited, the interrupt control circuit IVC has a refresh address counter (not shown) for refreshing the dynamic memory therein. The refresh address counter in the interrupt control circuit IVC has the first and third modes designated by the first and second operation control signals cmq and cpmq, that is, the operation mode for the semiconductor integrated circuit device or the operation standby. If the mode is instructed, it is incremented based on the system clock signal from the clock generation circuit CGC to form refresh address information that is periodically updated.
[0057]
(Clock generation circuit CGC)
The clock generation circuit CGC receives the external clock signal clk via the external terminal T5, and forms a system clock signal C2 having a period corresponding to the external clock signal clk. In FIG. 12, although the signal line between the clock generation circuit CGC and the central control unit CPU is expressed in a simplified manner, the system clock signal C2 is a sequence of circuits (not shown) in the central control unit CPU. It should be understood that it consists of a multiphase signal, as well as a clock signal for a typical processor, for the purpose of operation.
[0058]
The generation of the system clock signal C2 by the clock generation circuit CGC is performed by the control signal C1 such as the mode signal MODE2 and the initial operation instruction signal INTL in response to the first and second operation control signals cmq and cpmq from the interrupt control circuit IVC and the center. It is controlled by a control signal C3 from the processing unit CPU. If a complete standby operation is instructed by the operation control signal cmq, the central processing unit CPU shifts to a complete standby operation including a write processing operation to the static memory SRAM of data to be statically held. Necessary processing operations are performed, and then a control signal C3 for stopping the system clock generation operation is generated from the central processing unit CPU to the clock generation circuit CGC.
[0059]
When an operation standby operation is instructed by the operation control signal cpmq, the central processing unit CPU includes a processing operation for writing data to be statically stored in the static memory SRAM, as in the case of the complete standby operation. A processing operation necessary for shifting to the operation standby operation is performed. In the subsequent operation in this case, unlike the case of the complete standby operation, a control signal C3 for selectively outputting a system clock signal is generated from the central processing unit CPU to the clock generation circuit CGC.
[0060]
That is, the supply of the system clock signal from the clock generation circuit CGC to the interrupt control circuit IVC and the dynamic memory DRAM is continued, and the supply of the system clock signal to the other circuit blocks is stopped. When the operation control signals cmq and cpmq are changed to a state instructing the operation of the circuit, the clock generation circuit CGC generates the system clock signal C2 corresponding to the external clock signal clk by the control signal C1 from the interrupt control circuit IVC corresponding thereto. Controlled to occur.
[0061]
(I / O circuit I / O)
The input / output circuit I / O receives a signal supplied from the outside via a desired external terminal among the external terminals Tio1 to Tion, and outputs a signal to be output to a desired terminal among the external terminals Tio1 to Tion. Receive via the internal bus BUS. The input / output circuit I / O has a control register RG4 and a data register (not shown) each formed of a CMOS static circuit.
[0062]
The control register RG4 is selected by the central processing unit CPU, and the central processing unit CPU performs control data for the input / output circuit I / O, for example, control data such as a data input / output instruction and a high output impedance state instruction. Is given. The data register is used for transferring data between the external terminals Tio1 to Tion and the internal bus BUS. When the bit widths of the external terminals Tio1 to Tion, that is, the number of terminals and the bit width of the internal bus BUS are different, the data register has a bit number corresponding to a large bit width, and the central processing unit CPU The number of bits is converted according to the operation control by.
[0063]
For example, when the number of external terminals Tio1 to Tion is a number such as 64, but the bit width of the internal bus BUS is a relatively large number such as 256 bits, the external terminals Tio1 to Tion have a 64-bit unit. Serial data sequentially supplied to Tion is sequentially supplied to the data register by serial-parallel data conversion control by the central processing unit CPU, and is converted into 256-bit data. Conversely, 256-bit data set in the data register from the internal bus BUS is divided into 64 bits and supplied sequentially to the external terminals Tio1 to Tion by the parallel-serial data conversion control by the central processing unit CPU. .
[0064]
A circuit for signal input and a circuit for signal output of the input / output circuit I / O are configured such that their input and output operations are controlled by a system clock signal. Therefore, when the system clock signal is not supplied, the input / output circuit I / O is put into a low power consumption state, similar to the central processing unit CPU.
[0065]
(Control circuit ULC)
The control circuit ULC is a control circuit provided as appropriate according to the needs of the electronic system. As the control circuit ULC, for example, in an electronic system to be realized such as motor servo control in a hard disk device, head tracking control, error correction processing, and compression / decompression processing of image and audio data in image and audio processing. It is provided accordingly. The operation of the ULC of the control circuit is controlled by the system clock signal in the same manner as the central processing unit CPU.
[0066]
(Read only memory ROM)
As described above, the read-only memory ROM stores instructions and fixed data to be read and executed by the central processing unit CPU.
[0067]
(D / A converter DAC)
The D / A converter DAC has a register RG2 that receives digital data to be converted into an analog signal supplied via the internal bus BUS, and forms an analog signal based on the digital data. The register RG2 is set with digital data by the control circuit ULC or the central processing unit CPU. The D / A conversion operations such as the D / A conversion start timing of the D / A converter DAC and the output timing of the D / A conversion result are controlled by the system clock signal. The analog signal formed by the D / A converter DAC is not particularly limited, but is supplied to desired terminals of the external terminals T1 to Tn via the internal bus BUS and the input / output circuit I / O. Here, the external terminals T1 to Tn are input / output terminals (pins), but they may be provided separately for input terminals and output terminals.
[0068]
Although not shown in detail, the D / A converter DAC has a reference voltage source or a reference current source that is used as a reference for an analog quantity to be obtained when a high-precision DA conversion is required. . Such a reference voltage source or reference current source is considered to constitute a kind of analog circuit, and has a risk of consuming a non-negligible current in the second mode and the third mode, that is, the complete standby mode and the operation standby. Have. Therefore, in order to enable reduction of current consumption in such a case, a MOSFET switch that switches off is set for the reference voltage source or the reference current source in the second mode and the third mode. The
[0069]
(A / D converter ADC)
The A / D converter ADC receives a desired terminal among the external terminals T1 to Tn, an analog signal supplied via the input / output circuit I / O, and the internal bus BUS, and receives the control circuit ULC or the central processing unit. The CPU controls the start of the A / D conversion, converts the analog signal into a digital signal under clock control according to the system clock signal C2, and sets the obtained digital signal in the register RG1.
[0070]
Similarly to the D / A converter DAC, the A / D converter ADC also has a reference voltage source or a reference voltage source that is used as a reference for a quantization level to be digitally converted when high-precision AD conversion is required. Have a reference current source. Such a reference voltage source or reference current source in the A / D converter ADC also has the risk of consuming a non-negligible current in full standby mode and in operating standby mode. Therefore, in that case, a MOSFET switch similar to the above is applied to such a reference voltage source or reference current source.
[0071]
(Static memory SRAM)
Although not shown in detail, the static memory SRAM is a memory cell composed of a CMOS static memory cell, that is, a CMOS latch circuit, that is, a CMOS latch circuit and a pair of transmission date MOSFETs for data input / output thereto. Have a cell. The CMOS static memory cell has a feature that it holds information statically and requires only a very small operating current for holding information.
[0072]
Such a static memory SRAM substantially constitutes a CMOS static random access memory. In other words, the static memory SRAM decodes a memory array composed of a plurality of CMOS static memory cells arranged in a matrix and a row address signal supplied via the internal bus BUS, thereby selecting a word line in the memory array. A row address decoding drive circuit for decoding, a column address decoding circuit for decoding a column address signal and thereby forming a column decoding signal, and selecting a data line in the memory array operated by the column decoding signal. Are connected to a common data line, an input / output circuit coupled to the common data line, and a read / write control circuit.
[0073]
A circuit such as an address decode drive circuit related to the memory array, that is, a memory array peripheral circuit is composed of a CMOS static circuit. Therefore, the static memory cell SRAM is placed in a relatively low power consumption state only for the information holding operation in which the read and write operations are not performed. The CMOS static memory has a feature to be considered that the memory cell size becomes relatively large and the overall size with respect to the storage capacity becomes relatively large, and it is relatively difficult to increase the storage capacity. is there.
[0074]
(DMA controller DMAC)
The operation of the DMA controller, that is, the direct memory access controller DMAC is controlled by the central processing unit CPU, and the data transfer via the internal bus BUS between the circuit blocks designated by the central processing unit CPU is performed. Instead of controlling. Details of the DMA controller DMAC can be made substantially the same as that of the DMA controller configured as an independent semiconductor integrated circuit device, and therefore will not be described in further detail. However, a central processing unit CPU is provided in the internal register RG7 and the like. Data transfer control is performed based on setting information such as transfer source information, transfer destination information, and data transfer amount information set by.
[0075]
(Dynamic memory DRAM)
The dynamic memory DRAM is composed of a small number of elements such that the memory cell, that is, the dynamic memory cell, typically includes an information storage capacitor for storing information in the form of electric charges and a selection MOSFET. A relatively small memory cell size can be achieved. Therefore, the dynamic type memory can have a relatively small overall size even with a large storage capacity. This dynamic memory DRAM will be described next.
[0076]
FIG. 8 shows a block diagram of an embodiment of a dynamic memory (hereinafter simply referred to as DRAM) mounted on a semiconductor integrated circuit device to which the present invention is applied. This DRAM constitutes, for example, one module or functional unit in the system LSI (semiconductor integrated circuit device).
[0077]
The illustrated DRAM is not particularly limited, but adopts a bank configuration so as to be adapted to a large storage capacity. The number of memory banks can be changed, for example, with the maximum number being 16. One memory bank, for example, the first memory bank bank1, includes a bit line precharge circuit (not shown), a timing generation circuit, and a column selector TC1, which are integrated with the memory cell array MA1, the sense amplifiers SA0 and SA1, and the sense amplifier. , A row decoder RD1, and a column switch circuit CS1.
[0078]
For these memory banks, an address bus / control bus ADCB for address signals and control signals is set, and a memory internal bus (I / O internal bus) IOB for data input / output is set. A common memory input / output circuit MI / O is provided for the buses ADCB and IOB. The memory input / output circuit MI / O has therein a port coupled to the internal bus BUS in FIG.
[0079]
The DRAM also has a substrate bias switching circuit VBBM coupled to the substrate bias control circuit VBBC via the wiring group VL & CL, an internal power supply circuit IMVC, internal operation control signals mq and pmq, a reset signal resb, and a control bus CBUS. The memory control circuit MMC that receives the various operation control signals and the power supply initialization circuit VINTC. The internal power supply circuit IMVC includes a charge pump circuit such as the booster circuit and the negative voltage generation circuit.
[0080]
In the above, according to the convenience of the design data management unit in the design automation for configuring the semiconductor integrated circuit device, a set of elements in a wider range can be regarded as having fewer elements. For example, the memory cell array (MA1), the sense amplifiers (SA1 and SA2), the row decoder (RD1), and the column switch (CS1) in one memory bank can be regarded as constituting one memory mat. The column selector (TC1) can be regarded as constituting a bank control circuit. In this case, each memory bank is considered to be simply composed of a memory mat and a bank control circuit.
[0081]
In the illustrated DRAM, the memory mat, its selection circuit, and the like are almost the same as those of a known DRAM configured as an independent CMOS type semiconductor integrated circuit device. Therefore, a detailed description of the internal configuration is avoided, but the outline is as follows.
[0082]
<Memory cell array MA1-MAn>
A memory cell array such as the memory cell array MA1 includes a plurality of dynamic memory cells arranged in a matrix, a plurality of word lines to which selection terminals of the corresponding memory cells are coupled, and data input / output terminals of the corresponding memory cells. And a plurality of bit lines coupled to each other.
[0083]
The selection MOSFET constituting the memory cell has a structure in which an N-type source region and an N-type drain region are formed in a P-type well region PWELL1 formed on a semiconductor substrate made of P-type single crystal silicon. . Although not particularly limited, the semiconductor substrate is electrically isolated from the semiconductor substrate by an N-type isolation semiconductor region having a relatively low impurity concentration. Such an isolation region is set to a positive potential like the power supply terminal vdd of the circuit. The N-type isolation semiconductor region acts to protect the P-type well region PWELL1 from undesirable carriers that are generated in the P-type semiconductor substrate due to α particles and the like.
[0084]
P-type well region PWELL1 in which the memory cells are formed is supplied with a negative substrate bias voltage vbb formed by internal power supply circuit IMVC in the DRAM. As a result, tailing current or leakage current of the selection MOSFET in the memory cell is reduced, and information leakage in the information storage capacitor in the memory cell is reduced.
[0085]
An information storage capacitor in the memory cell is formed on the P-type well region PWELL1 through an insulating film made of a silicon oxide film. One electrode of the information storage capacitor is electrically coupled to an electrode region that can be regarded as a source region of the selection MOSFET. The other electrode of each of the plurality of information storage capacitors for the plurality of memory cells is a common electrode called a so-called plate electrode. The plate electrode is given a predetermined potential vpl as a capacitive electrode.
[0086]
The information storage capacity is desired to have a relatively small size so as to reduce the size of the memory cell array, and also to have a large capacity value so as to have a long information holding time. For the information storage capacitor, the dielectric film sandwiched between the electrodes is selected from a material having a relatively large dielectric constant such as tantalum oxide or silicon oxide so as to have a large capacitance value, and per unit area. The thickness is extremely thin so as to increase the capacity. The plate electrode potential vpl for the plurality of information storage capacitors is set to an intermediate potential equal to half the power supply voltage vdd of the circuit formed by the voltage conversion circuit IMVC.
[0087]
As a result, when a high level such as the power supply voltage vdd level is supplied according to information to be stored in one electrode of the information storage capacitor, a low level equal to the circuit ground potential is applied to the one electrode. In any case of the supply, the plate electrode potential vpl is set to a potential almost half of the power supply voltage vdd. That is, the voltage applied to the dielectric film is limited to a small value such as approximately half of the power supply voltage vdd. As a result, the dielectric film can be reduced in its withstand voltage, and undesired leakage current can be reduced as the applied voltage is reduced, so that the thickness can be reduced to a critical thickness. Become.
[0088]
<Timing generation and column selector>
The timing generation and column selector such as the timing generation and column selector TC1 are controlled by the operation control signal from the global control circuit in the memory control circuit MCC, and activated by the bank selection signal supplied via the bus ADCB. Various internal timing signals for controlling the operation of various circuits such as a bit line precharge circuit for the bit lines of the memory cell array, a row decoder, a sense amplifier, and a column selector within itself are formed. The operation of the column selector in the timing generation and column selector is controlled by an internal timing signal, decodes the column address signal supplied via the bus ADCB, and operates the column switch circuit in the bank such as the column switch circuit CS1. A decode signal for generating the signal is formed.
[0089]
A row decoder such as the row decoder RD1 has its operation timing controlled by timing generation and a timing signal supplied from the column selector, decodes an address signal supplied via the bus ADCB, and a word line in the corresponding memory cell array. Select.
[0090]
The bit line precharge circuit is operated by a precharge timing signal at a timing before the row decoder is activated, and each bit line in the corresponding memory cell array is set to a level equal to approximately half the power supply voltage vdd. To precharge.
[0091]
<Sense amplifier>
The sense amplifiers such as the sense amplifiers SA0 and SA1 are operated by a timing signal such as TC1 and a sense amplifier timing signal generated from the column selector circuit after the row decoder is activated, and are selected by the row decoder. The signal given to the bit line by the cell, that is, the read signal is amplified. Each of the plurality of unit sense amplifiers corresponding to each bit line in the sense amplifier has substantially the same configuration as a well-known CMOS sense amplifier.
[0092]
Each unit sense amplifier has a pair of pMOSs whose gates and drains are cross-connected, and a pair of nMOSs whose gates and drains are similarly cross-connected. A pair of pMOS drains and a pair of nMOS drains are coupled to a corresponding pair of bit lines. The sources of the pair of pMOSs are connected in common, and an operating potential is applied through a switch MOSFET whose operation is controlled by a sense amplifier timing signal. Similarly, a pair of nMOS sources are connected in common, and an operating potential such as a circuit ground potential is applied through a switch MOSFET whose operation is controlled by a sense amplifier timing signal.
[0093]
As the operating voltage, for example, the power supply voltage vdd corresponding to the high level of the bit line and the boosted voltage vbs set to a higher voltage are used. A so-called overdrive system in which the sense amplifier performs an amplification operation with the boosted voltage vbs for a certain period until the sense amplifier starts an amplification operation and the potential of the bit line to be raised to a high level reaches a desired voltage. Is adopted. When the potential of the bit line reaches near the desired potential vdd, the operating voltage of the sense amplifier is switched to the power supply voltage vdd corresponding to the original high level of the bit line.
[0094]
The arrangement of the two sense amplifiers across the memory cell array means the following configuration. That is, a skip bit line among a plurality of bit lines of the memory cell array is coupled to the sense amplifier on one side of the memory cell array, and a plurality of bits of the memory cell array is connected to the sense amplifier on the other side of the memory cell array. The remaining free bit lines of the line are combined. This configuration reduces the pitch of the plurality of bit lines in the memory cell array when the plurality of MOSFETs constituting the sense amplifier must be arranged with a relatively large pitch according to the required size. It is effective.
[0095]
<Column switch circuit>
A column switch circuit such as the column switch circuit CS1 is operated by a selection signal output from a corresponding column selector. The column switch circuit selects a bit line designated by the column selector among the plurality of bit lines in the memory cell array and couples it to the memory internal bus IOB.
[0096]
<Memory input / output circuit M-IO>
The memory input / output circuit M-IO is coupled to the internal bus BUS of the semiconductor integrated circuit device, receives an address signal and a control signal from the internal bus BUS, and transmits them to the internal bus ADCB. The memory input / output circuit M-IO also inputs / outputs memory data between the bus BUS and the memory internal bus IOB.
[0097]
<Memory control circuit MCC>
The memory control circuit MCC receives the internal first and second operation control signals mq and pmq and the reset signal resb of the semiconductor integrated circuit device, and performs control operations according to these signals. The memory control circuit MCC is not particularly limited, but includes a first control logic circuit MSW that receives the first operation control signal mq and the second operation control signal pmq and generates the internal operation control signal bbcz in response thereto, and a first operation control. And a second control logic circuit VINT that receives the signal mq and the reset signal resb and generates a substantial initialization control signal intgb in response thereto.
[0098]
(Substrate bias switching circuit VBBM)
The substrate bias switching circuit VBBM receives various bias voltages vbp, vbn, vbpg, vbng and control signals vbcp, vbcn from the substrate bias control circuit VBBC via the line group VL & CL, and receives a control signal bbcz from the memory control circuit MCC. Then, the bias voltage is supplied to a required circuit portion in the DRAM under the operation control by the bias voltage and the control signal.
[0099]
(Voltage conversion circuit MVC)
The voltage conversion circuit IMVC receives the power supply voltage supplied between the power supply terminal VDD and the reference potential terminal VSS of the DRAM, and selects the substrate bias voltage vbb, the plate voltage vpl, and the word line for the memory cell array as described above. Internal voltages such as a boosted voltage vdh for setting the level and a boosted voltage vbs for overdriving the sense amplifier are formed. Although not particularly limited, the substrate bias voltage vbb for the memory cell array is formed in the circuit IMVC in the DRAM as a module. The circuit that generates the bias voltage vbb and the boosted voltages vdh and vbs at the negative potential level is devised to form a desired negative voltage even with a low power supply voltage as described above.
[0100]
The configuration in which the bias voltage vbb is independently formed as in this embodiment is such that the information signal read from the dynamic memory cell is at a minute level, and the potential variation of the p-type well region pwell1 is controlled so as not to disturb the minute level. It is advantageous in terms of suppression. Such a circuit for forming the bias voltage vbb has a generally small undesired leakage current flowing from the memory cell array to the p-type well region pwell1, and accordingly the output capability thereof may be relatively small. The power consumption itself can be sufficiently reduced.
[0101]
(Power supply initialization circuit VINTC)
The power supply initialization circuit VINTC initializes the DRAM circuit under the operation control by the memory control circuit MCC. The configuration example of the power supply initialization circuit VINTC and the details of the initialization operation will not be described in detail because they are not directly related to the present invention.
[0102]
In the above description, the term “MOS” is understood to have originally come to be referred to simply as a metal oxide semiconductor configuration. However, the MOS in the general name in recent years includes those in which the metal in the essential part of the semiconductor device is replaced with a non-metal electrical conductor such as polysilicon, or the oxide is replaced with another insulator. Yes. CMOS has also been understood to have broad technical implications in response to changes in how it pertains to MOS as described above. MOSFETs are not understood in a narrow sense as well, but have become meanings including configurations in a broad sense that can be substantially regarded as insulated gate field effect transistors. The CMOS, MOSFET, and the like of the present invention follow the general names.
[0103]
FIG. 9 shows a circuit diagram of an embodiment of the memory cell array and the word line selection circuit. In the same figure, an equalizing & precharging circuit for bit lines included in the memory array section is also drawn. In the memory mat of FIG. 1, one bank #j of the bank addresses # 0 to #n is exemplarily shown as a representative. Among a plurality of complementary bit lines and a plurality of word lines provided in bank (memory mat) #j, a pair of complementary bit lines BLm, / BLm and one bit line BLn, word lines WL0, WLm, WLm + 1, WLn are It is exemplarily shown as a representative.
[0104]
In the description of the memory cell provided at the intersection of the word line WL0 and the bit line BLm as an example, the gate of the address selection MOSFET Qm is connected to the word line. One source and drain of the MOSFET Qm is connected to the bit line BLm. The other source and drain of the MOSFET Qm are connected to a storage node Ns which is one electrode of the storage capacitor Cs. The other electrode of the storage capacitor Cs is shared with the other electrode of the storage capacitor of the other memory cell, and the plate voltage VPL is applied.
[0105]
The memory cells as described above are arranged in a matrix at the intersection of the word line and one of the complementary bit lines. For example, in the word line WLm and the adjacent word
[0106]
The complementary bit lines BLm, / BLm are provided with N-channel MOSFETs Q14 to Q16 that constitute an equalize & precharge circuit. The MOSFET Q14 short-circuits the high level and low level (or low level and high level) of the complementary bit lines BLm and / BLm to set the half potential. MOSFETs Q15 and Q16 are for preventing the half potential due to the short circuit of the complementary bit lines BLm and / BLm from fluctuating due to a leakage current or the like, and applying the half precharge voltage VMP to the complementary bit lines BLm and / BLm. Supply. The gates of these MOSFETs Q14 to Q16 are connected in common and supplied with a precharge & equalize signal BLEQj. That is, after the word line is reset from the selection level to the non-selection level, the signal BLEQj changes to the high level, the MOSFETs Q14 to Q16 are turned on, and the precharge and equalization operations of the complementary bit lines BLm and / BLm are performed. Let it be done.
[0107]
A plurality of word line drive circuits WD0 to WDn are provided corresponding to the plurality of word lines WL0 to WLn. In the drawing, a specific circuit of the word line driving circuit WDm corresponding to the word line WLm is exemplarily shown as a representative. The word line drive circuit WDm has a CMOS composed of a P-channel MOSFET Q6 whose source is connected to the boost power source VDH consisting of the booster circuit and an N-channel MOSFET Q7 whose source is connected to the ground potential of the circuit. An inverter circuit is used. The drains of the MOSFETs Q6 and Q7 are connected in common to form an output terminal, which is connected to the word line WLm. The gates of the MOSFETs Q6 and Q7 are connected in common to form an input terminal and supplied with a selection signal formed by a row (X) decoder RDEC.
[0108]
Between the input terminal of the CMOS inverter circuit (Q6 and Q7) and the boosted power source VDH, a P channel type MOSFET Q9 for precharging with its source-drain path connected, and a P channel type for non-selection latch. MOSFET Q8 is provided in parallel. The gate of the non-select latch P-channel MOSFET Q8 is connected to the output terminal of the CMOS inverter circuit (Q6 and Q7). A precharge signal WPH is supplied to the gate of the precharge P-channel MOSFET Q9. The signal generation circuit for generating the precharge signal WPH generates a high level signal WPH corresponding to the selected level of the word line and a low level signal WPH such as the ground potential of the circuit using the boosted power supply VDH as an operating voltage.
[0109]
The MOSFET Q14 is a level limiter MOSFET. When a sense amplifier (not shown) operates at the power supply voltage Vdd, the high level of the potential of the complementary bit line BLm or / BLm corresponds to the power supply voltage Vdd, and the potential of the boosted voltage VDH is formed at the power supply voltage Vdd + Vth. The Here, Vth is a threshold voltage of the address selection MOSFET Qm, and a high level signal such as the power supply voltage Vdd of the complementary bit line BLm or / BLm amplified by the amplification operation of the sense amplifier is applied to the capacitor Cs without any level loss. To be told.
[0110]
The effects obtained from the above embodiment are as follows. That is,
(1) By combining a plurality of charge pump circuits including a drive circuit for forming a pulse signal corresponding to the operating voltage and a capacitor charged up by the pulse signal formed by the driving circuit, a plurality of the operating voltages An internal power generation circuit having an internal node configured to have a double voltage difference, and the same conductivity as that of the MOSFET used for the voltage generation operation between the internal nodes where a potential difference of a multiple of the operation voltage is generated. Type MOSFET is inserted in series as a voltage relaxation MOSFET, and a voltage corresponding to the voltage generation operation is supplied to the gate of the voltage relaxation MOSFET and lower than the drain voltage by the operation voltage. To obtain a voltage multiple of the operating voltage and relax the voltage applied to the device, to maintain its reliability An effect is obtained that an internal voltage generation circuit can be obtained.
[0111]
(2) As the internal voltage generation circuit, a double booster circuit composed of a first drive circuit and a first charge pump circuit composed of a first capacitor is formed, and formed by the double booster circuit. The output of the capacitor of the second charge pump circuit is constructed while constituting a triple booster circuit composed of a second drive circuit using the boosted voltage as an operating voltage and a second charge pump circuit comprising a second capacitor. The first MOSFET for precharging the second capacitor to the operating voltage and the second MOSFET having the boosted voltage formed by the double boosted voltage applied to the gate are formed in series on the side and the operating voltage terminal. By connecting to, it is possible to obtain an effect that only a low voltage substantially corresponding to the operating voltage can be applied between the source and drain of each MOSFET.
[0112]
(3) As the internal voltage generation circuit, a plurality of capacitors are precharged corresponding to the operating voltage at the first timing, and the operating capacitors are connected in series to the operating voltage at the second timing. A MOSFET for precharging the capacitor between a node forming the multiple voltage and a ground potential, and between a power supply voltage and a series connection point of the capacitor. And a voltage relaxation MOSFET in which a voltage corresponding to the above operating voltage is applied to the gate is connected in series, so that a high voltage is formed and the operating voltage is substantially supported between the source and drain of each MOSFET. Thus, an effect that only a low voltage can be applied can be obtained.
[0113]
(4) The internal voltage generation circuit further includes a charge pump circuit that performs a precharge operation at a first timing and generates a negative voltage corresponding to the operation voltage at a second timing. The second capacitor and the second capacitor are precharged with a positive voltage corresponding to the operating voltage, and at the second timing, the first capacitor and the second capacitor are connected in series, and the ground potential is A negative voltage equivalent to twice the operating voltage is formed with reference to the control voltage to form a control signal for the P-channel type rectifier MOSFET, and the P-channel type rectifier MOSFET is preliminarily set at the first timing. The charge pump circuit is turned off by the charge voltage, and is turned on by the negative voltage corresponding to the double at the second timing. By performing the output operation of the negative voltage formed by the above, an effect that the negative voltage can be efficiently formed is obtained.
[0114]
(5) Provided between a plurality of word lines and a plurality of complementary bit line pairs, one of the word lines and one of the complementary bit lines, a gate is connected to the word line, and one source and drain correspond to each other. A dynamic type comprising an address selection MOSFET connected to the one complementary bit line and a storage capacitor in which the other source and drain of the address selection MOSFET are connected to one electrode and a predetermined voltage is applied to the other electrode. A plurality of pairs of P-channel MOSFETs constituting the amplifying unit on the operating voltage side, and the cross-connected gates and drains connected to the memory cells, the cross-connected gates and drains connected to the plurality of complementary bit line pairs, respectively. Are connected to the plurality of complementary bit line pairs, respectively, and a plurality of pairs of N-channel type constituting an amplification unit on the ground potential side In a dynamic RAM including a sense amplifier composed of a MOSFET, a dynamic RAM that operates stably to a low voltage by forming a selection level of a word line to which the gate of the address selection MOSFET is connected by the booster circuit. The effect is obtained that a semiconductor integrated circuit device with a built-in can be obtained.
[0115]
The invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the invention of the present application is not limited to the embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, the booster circuit can be widely used not only for forming the word line selection level of the dynamic memory cell but also for those requiring a high voltage higher than the operating voltage. The negative voltage is used as an operating power source for an analog circuit such as an operational amplifier circuit that operates with a dual power source consisting of a positive voltage and a negative voltage, in addition to a back bias voltage applied to a substrate gate on which a dynamic memory cell is formed. May be. The present invention can be widely used for a semiconductor integrated circuit device having an internal node which has a potential difference which is multiplied by a plurality of times with respect to an operating voltage such as a power supply voltage by a charge pump circuit.
[0116]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows. That is, a combination of a plurality of charge pump circuits each including a drive circuit that forms a pulse signal corresponding to the operation voltage and a capacitor that is charged up by the pulse signal formed by the drive circuit provides a multiple of the operation voltage. An internal power generation circuit having an internal node configured to have a voltage difference of the same, and the same conductivity type as the MOSFET used for the voltage generation operation between internal nodes where a potential difference of multiple times the operation voltage is generated The voltage relaxation MOSFET is inserted in series as a voltage relaxation MOSFET, and a voltage corresponding to the voltage generation operation is supplied to the gate of the voltage relaxation MOSFET, and a voltage lower than the drain voltage by the operation voltage is supplied. Obtain multiple times the operating voltage and relax the voltage applied to the device to maintain its reliability It is possible to obtain an internal voltage generation circuit to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a boosted voltage generating circuit according to the present invention.
FIG. 2 is an internal voltage waveform diagram for explaining the operation of the booster circuit of FIG. 1;
FIG. 3 is a circuit diagram showing one embodiment of a negative voltage generating circuit according to the present invention.
4 is an internal voltage waveform diagram for explaining the operation of the negative voltage generating circuit of FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing one embodiment of a triple boosted voltage generating circuit according to the present invention.
6 is an internal voltage waveform diagram for explaining the operation of the triple boosted voltage generating circuit of FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is an overall circuit block diagram showing an embodiment of a system LSI to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a block diagram showing an embodiment of a dynamic RAM mounted on a semiconductor integrated circuit device to which the present invention is applied.
9 is a circuit diagram showing one embodiment of a memory cell array portion of the dynamic RAM of FIG. 8. FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of a boosted voltage generating circuit studied prior to the present invention.
FIG. 11 is a schematic circuit diagram showing the characteristic part of the boosted voltage generating circuit according to the present invention.
FIG. 12 is a circuit diagram showing another embodiment of the voltage doubler generating circuit according to the present invention.
[Explanation of symbols]
M1 to M26, MOSFET, OR1, OR2, NOR gate circuit, i1 to i10, inverter circuit, CB1 to CB8, CG, CD, capacitor, I1 to I8, inverter circuit,
IO ... I / O circuit, VBBC ... Substrate bias control circuit, ULC ... Control circuit, ROM ... Read only memory, DAC ... D / A converter, ADC ... A / D converter, IVC ... Interrupt control circuit, CGC ... Clock generation Circuit, CPU ... Central processing unit, SRAM ... Static memory, DMAC ... DMA controller, DRAM ... Dynamic memory, BUS ... Internal bus,
CLC ... logic circuit, VL & CL ... wiring group, MA ... memory array, SA ... sense amplifier, CS ... column switch, TC ... column secretor, RD ... row decoder, M-IO ... memory input / output circuit, VBBM ... substrate bias switching circuit, IMVC: internal power supply circuit, MMC: memory control circuit, VINTC: power supply initialization circuit, IMVC: voltage conversion circuit, ADCB: address, control bus.
Claims (8)
上記昇圧回路は、
動作電圧に対応した第1パルスを用いて上記動作電圧の2倍の昇圧電圧を形成する第1チャージポンプ回路と、
上記動作電圧に対応した第2パルスを用いて上記動作電圧の2倍の昇圧電圧を形成する第2チャージポンプ回路と、
上記第2チャージポンプ回路で形成された2倍の昇圧電圧と上記動作電圧に対応した第3パルスとを用いて上記動作電圧の3倍の昇圧電圧を形成する第3チャージポンプ回路と、
上記動作電圧に対応した第4パルスを用いて上記動作電圧の2倍の昇圧電圧を形成する第4チャージポンプ回路と、
上記第4チャージポンプ回路の2倍の昇圧電圧を伝達させる第1導電型の第1スイッチMOSFETと、
上記第3チャージポンプ回路の第3チャージポンプ容量を上記動作電圧にプリチャージする直列形態の第1導電型の第3及び第5プリチャージMOSFETとを有し、
上記第1チャージポンプ回路の昇圧電圧は、上記第2チャージポンプ回路に設けられた第2チャージポンプ容量を上記動作電圧にプリチャージする第1導電型の第2プリチャージMOSFETのゲート、上記第3チャージポンプ回路に設けられた上記第3プリチャージMOSFETのゲート及び記第4チャージポンプ回路に設けられた第4チャージポンプ容量を上記動作電圧にプリチャージする第1導電型の第4プリチャージMOSFETのゲートにそれぞれ供給され、
上記第2チャージポンプ回路の昇圧電圧は、上記第1チャージポンプ回路に設けられた第1チャージポンプ容量を上記動作電圧にプリチャージする第1導電型の第1プリチャージMOSFETのゲートに供給され、
上記第5プリチャージMOSFETのゲートには、上記第3チャージポンプ回路の出力電圧がゲートに供給された第1導電型の第2スイッチMOSFETを通して2倍の昇圧電圧が供給され、
上記第1スイッチMOSFETのゲートには、上記第3チャージポンプ回路の出力電圧が供給され、
上記昇圧回路を構成する各MOSFETの耐圧電圧は、上記動作電圧以上で上記2倍の動作電圧以下とされる半導体集積回路装置。 With a booster circuit,
The booster circuit
A first charge pump circuit that forms a boosted voltage that is twice the operating voltage using a first pulse corresponding to the operating voltage;
A second charge pump circuit that forms a boosted voltage twice the operating voltage using a second pulse corresponding to the operating voltage;
A third charge pump circuit that forms a boosted voltage that is three times the operating voltage using a double boosted voltage formed by the second charge pump circuit and a third pulse corresponding to the operating voltage;
A fourth charge pump circuit that forms a boosted voltage that is twice the operating voltage using a fourth pulse corresponding to the operating voltage;
A first switch MOSFET of a first conductivity type that transmits a boosted voltage twice that of the fourth charge pump circuit;
A third conductivity type third and fifth precharge MOSFETs in series form for precharging the third charge pump capacitance of the third charge pump circuit to the operating voltage;
The boost voltage of the first charge pump circuit includes a gate of a second conductivity type second precharge MOSFET that precharges a second charge pump capacitor provided in the second charge pump circuit to the operating voltage, and the third charge pump circuit. A fourth precharge MOSFET of the first conductivity type that precharges the gate of the third precharge MOSFET provided in the charge pump circuit and the fourth charge pump capacitor provided in the fourth charge pump circuit to the operating voltage. Supplied to each gate,
The boosted voltage of the second charge pump circuit is supplied to the gate of a first conductivity type first precharge MOSFET that precharges the first charge pump capacitor provided in the first charge pump circuit to the operating voltage,
A double boosted voltage is supplied to the gate of the fifth precharge MOSFET through the second switch MOSFET of the first conductivity type to which the output voltage of the third charge pump circuit is supplied to the gate,
The gate of the first switch MOSFET is supplied with the output voltage of the third charge pump circuit,
A semiconductor integrated circuit device in which a withstand voltage of each MOSFET constituting the booster circuit is not less than the operating voltage and not more than twice the operating voltage .
上記第1乃至第4プリチャージMOSFETのゲートには、それぞれ上記動作電圧側から各ゲートに向けて電流を流すダイオード形態のMOSFETを有する半導体集積回路装置。In claim 1,
A semiconductor integrated circuit device having a diode-type MOSFET that causes a current to flow from the operating voltage side toward each gate at the gate of each of the first to fourth precharge MOSFETs .
上記第5プリチャージMOSFETのバックゲートには、上記動作電圧が供給される半導体集積回路装置。 In claim 1 or 2,
A semiconductor integrated circuit device in which the operating voltage is supplied to a back gate of the fifth precharge MOSFET .
上記第3チャージポンプ回路は、
上記第2チャージポンプ回路の出力電圧と回路の接地電位との間に第2導電型の第1MOSFETと、第1導電型の第1及び第2MOSFETとが直列形態に設けられ、
上記第2導電型の第1MOSFET及び第1導電型の第1MOSFETのゲートには、上記動作電圧が供給され、上記第1導電型の第2MOSFETのゲートには、上記第3パルスが供給され、
上記第2導電型の第1MOSFET及び第1導電型の第1MOSFETの相互接続点から上記第3チャージポンプ容量に供給される2倍の昇圧電圧が形成される半導体集積回路装置。 In any of claims 1 to 3,
The third charge pump circuit includes:
Between the output voltage of the second charge pump circuit and the ground potential of the circuit, a first conductivity type first MOSFET and a first conductivity type first and second MOSFET are provided in series,
The operating voltage is supplied to the gates of the second conductivity type first MOSFET and the first conductivity type first MOSFET, and the third pulse is supplied to the gate of the first conductivity type second MOSFET,
A semiconductor integrated circuit device in which a double boosted voltage supplied to the third charge pump capacitor is formed from an interconnection point between the second conductivity type first MOSFET and the first conductivity type first MOSFET .
複数のワード線と複数の相補ビット線対と、
上記ワード線と前記相補ビット線の一方との間に設けられるダイナミック型メモリセルを更に有し、
上記昇圧回路の出力電圧は、前記ワード線が選択される際に、ワードドライバを介して前記ワード線に供給される半導体集積回路装置。In any of claims 1 to 4,
A plurality of word lines and a plurality of complementary bit line pairs;
A dynamic memory cell provided between the word line and one of the complementary bit lines ;
The output voltage of the booster circuit, when the word line is selected, semiconductors integrated circuit device which is supplied to the word line through a word driver.
上記第1負電圧発生回路は、
第1タイミングにおいて、第1容量と第2容量をそれぞれ正の動作電圧にプリチャージし、上記第1タイミングと異なる第2タイミングにおいて、上記第1容量と第2容量の保持電圧が加算されるよう直列形態に接続して、高電位側の一端に回路の接地電位を供給し、低電位側の他端から上記動作電圧の2倍に対応された負電圧を形成する第1チャージポンプ回路と、
上記第1タイミングにおいて、第3容量を動作電圧にプリチャージし、上記第2タイミングにおいて、上記第3容量の高電位側の一端に回路の接地電位を供給し、低電位側の他端から上記動作電圧に対応された負電圧を形成する第2チャージポンプ回路と、
上記第2チャージポンプ回路の負電圧を伝達するPチャネル型の第1スイッチMOSFETとを有し、
上記第1スイッチMOSFETのゲートには、上記第1チャージポンプ回路の出力電圧が供給され、
上記第1チャージポンプ回路において、上記第2容量に動作電圧を供給するプリチャージMOSFETは、直列形態にされたPチャネル型の第1及び第2プリチャージMOSFETとされ、上記第2容量に接地電位を供給するプリチャージMOSFETは、Pチャネル型の直列形態にされた第3及び第4プリチャージMOSFETとされ、
上記第1及び第3プリチャージMOSFETは、ゲートに第1タイミングでオン状態にされる制御パルスがそれぞれ供給され、
上記第2プリチャージMOSFETのゲートには、回路の接地電位が供給され、
上記第4プリチャージMOSFETのゲートには、動作電圧に対応された負電圧が供給され、
上記負電圧発生回路を構成する各MOSFETの耐圧電圧は、上記動作電圧以上で上記2倍の動作電圧以下とされる半導体集積回路装置。 A first negative voltage generating circuit;
The first negative voltage generation circuit includes:
At the first timing, the first capacitor and the second capacitor are precharged to positive operating voltages, respectively, and the holding voltages of the first capacitor and the second capacitor are added at a second timing different from the first timing. A first charge pump circuit connected in series, supplying a ground potential of the circuit to one end on the high potential side, and forming a negative voltage corresponding to twice the operating voltage from the other end on the low potential side;
At the first timing, the third capacitor is precharged to the operating voltage, and at the second timing, the ground potential of the circuit is supplied to one end on the high potential side of the third capacitor, and the other end on the low potential side A second charge pump circuit for forming a negative voltage corresponding to the operating voltage;
A P-channel first switch MOSFET that transmits a negative voltage of the second charge pump circuit;
The gate of the first switch MOSFET is supplied with the output voltage of the first charge pump circuit,
In the first charge pump circuit, the precharge MOSFETs that supply the operating voltage to the second capacitor are P-channel type first and second precharge MOSFETs arranged in series, and the ground potential is connected to the second capacitor. Are pre-charge MOSFETs that are P-channel type third and fourth pre-charge MOSFETs,
The first and third precharge MOSFETs are each supplied with a control pulse that is turned on at a first timing to the gate,
The gate of the second precharge MOSFET is supplied with the circuit ground potential,
A negative voltage corresponding to the operating voltage is supplied to the gate of the fourth precharge MOSFET,
A semiconductor integrated circuit device in which a withstand voltage of each MOSFET constituting the negative voltage generating circuit is set to be not less than the above operating voltage and not more than twice the operating voltage .
上記第1負電圧発生回路と同様な回路構成とされた第2負電圧発生回路を更に有し、
上記第2負電圧発生回路は、上記第1タイミングで出力動作を行い、第2タイミングでプリチャージ動作を行い、
上記第1負電圧発生回路の出力信号を、上記第2負電圧発生回路のプリチャージ動作に用いられる上記制御パルスとして利用し、
上記第2負電圧発生回路の出力信号を、上記第1負電圧発生回路のプリチャージ動作に用いられる上記制御パルスとして利用し、
上記第1及び第2負電圧発生回路の出力を共通にする半導体集積回路装置。 In claim 6,
A second negative voltage generating circuit having the same circuit configuration as the first negative voltage generating circuit;
The second negative voltage generation circuit performs an output operation at the first timing, performs a precharge operation at the second timing,
The output signal of the first negative voltage generation circuit is used as the control pulse used for the precharge operation of the second negative voltage generation circuit,
Using the output signal of the second negative voltage generation circuit as the control pulse used for the precharge operation of the first negative voltage generation circuit,
A semiconductor integrated circuit device in which outputs of the first and second negative voltage generating circuits are made common .
複数のワード線と複数の相補ビット線対と、
上記ワード線と上記相補ビット線の一方との間に設けられ、ゲートが上記ワード線に接 続され、一方のソース,ドレインが対応する上記一方の相補ビット線に接続されたアドレス選択MOSFET及び上記アドレス選択MOSFETの他方のソース,ドレインが一方の電極に接続され、他方の電極に所定の電圧が印加されてなる記憶キャパシタからなるダイナミック型メモリセルを含むダイナミック型ランダムアクセスメモリを更に有し、
上記第1及び第2負電圧発生回路の出力電圧は、上記アドレス選択用MOSFETの基板ゲート電圧とされる半導体集積回路装置。 In claim 7,
A plurality of word lines and a plurality of complementary bit line pairs;
Said word lines and provided between one of the complementary bit line, a gate is connected to the word line, one of a source, a drain corresponding the one connected address selected MOSFET and said complementary bit line A dynamic random access memory including a dynamic memory cell including a storage capacitor in which the other source and drain of the address selection MOSFET are connected to one electrode and a predetermined voltage is applied to the other electrode;
The output voltages of the first and second negative voltage generating circuit, the semi-conductor integrated circuit device is a substrate gate voltage of the address selection MOSFET.
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