JP2006005099A - Semiconductor circuit device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a variation in the current performance of a charge pump circuit. <P>SOLUTION: A boost-up capacity element C1 of a charge pump circuit 110 and a capacity element of an oscillator circuit 123 are formed so that the boost-up capacity element C1 of the charge pump circuit 110 and the capacity film (oxidization insulating film) of the capacity element of an oscillator circuit 123 may become the same substantially. Furthermore, it is preferable that the capacity element C1 and the capacity element C2 are simultaneously formed in the same process. By forming the capacity film of each capacity element in this way, it is made possible to greatly reduce a variation in capacity ratio resulting from a variation in the capacity film of the capacity element C1 and the capacity element C2, and moreover to reduce a variation in the current performance Icp of the pump circuit 110. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は昇圧回路を含む半導体回路装置に関し、特に、チャージ・ポンプ回路とチャージ・ポンプ回路を制御する発振回路を備える昇圧回路を含む半導体回路装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor circuit device including a booster circuit, and more particularly to a semiconductor circuit device including a booster circuit including a charge pump circuit and an oscillation circuit that controls the charge pump circuit.

フラッシュ・メモリなどの不揮発性半導体記憶装置は、電気的に消去、書き換えが可能であり、また、電源を切ってもデータが消えないため、携帯電話、デジタル・カメラ、パソコンのBIOSの記憶など、多くの用途に使用されている。上記のような不揮発性半導体記憶装置においては、メモリ・セルに電流を供給し、流れる電流値を検出することによってメモリ・セルに記憶されているデータが読み出される。   Nonvolatile semiconductor storage devices such as flash memory can be erased and rewritten electrically, and since data is not lost even when the power is turned off, mobile phone, digital camera, personal computer BIOS storage, etc. It is used for many purposes. In the nonvolatile semiconductor memory device as described above, data stored in the memory cell is read by supplying current to the memory cell and detecting the value of the flowing current.

このような不揮発性メモリにおいて、メモリ・セルを駆動するためには、電源電圧よりも高い電圧が必要とされる。このように、電源電圧よりも高い電圧を生成するための回路として、チャージ・ポンプ型の昇圧回路が広く利用されている(例えば、特許文献1を参照)。図6は、従来の技術におけるチャージ・ポンプ型昇圧回路の概略構成を示す回路図である。図6に示すように、チャージ・ポンプ型昇圧回路600は、チャージ・ポンプ回路610と、チャージ・ポンプ回路610を制御する制御回路620を備えている。チャージ・ポンプ回路610の出力Vout1は、負荷630に出力される。負荷630は、例えば、メモリ・セルが含まれる。   In such a nonvolatile memory, a voltage higher than the power supply voltage is required to drive the memory cell. As described above, a charge pump type booster circuit is widely used as a circuit for generating a voltage higher than a power supply voltage (see, for example, Patent Document 1). FIG. 6 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a charge pump type booster circuit in the prior art. As shown in FIG. 6, the charge pump type booster circuit 600 includes a charge pump circuit 610 and a control circuit 620 that controls the charge pump circuit 610. The output Vout1 of the charge pump circuit 610 is output to the load 630. The load 630 includes, for example, a memory cell.

チャージ・ポンプ回路610において、ダイオード接続されたNMOSトランジスタTr1と容量素子C1からなる複数の回路が、電源Vddから出力までの間において直列に接続されている。図6の例においては、2つ容量素子C1と3つのNMOSトランジスタTr1が例示されている。相補的な2相のクロック信号を容量素子に入力することによって電源電圧Vddを利用して各容量素子C1を充電し、電荷を出力側転送していくことによって、電源電圧Vddよりも高い出力電圧Vout1を生成することができる。   In the charge pump circuit 610, a plurality of circuits comprising a diode-connected NMOS transistor Tr1 and a capacitive element C1 are connected in series between the power supply Vdd and the output. In the example of FIG. 6, two capacitive elements C1 and three NMOS transistors Tr1 are illustrated. By inputting a complementary two-phase clock signal to the capacitive element, each capacitive element C1 is charged using the power supply voltage Vdd and the charge is transferred to the output side, whereby an output voltage higher than the power supply voltage Vdd is obtained. Vout1 can be generated.

制御回路620は、チャージ・ポンプ回路610の出力電圧Vout1が一定の値になるように、クロック信号の供給と停止を繰り返すことによってチャージ・ポンプ回路610を制御する。制御回路620は、チャージ・ポンプ回路610の出力電圧を分圧する分圧回路621、分圧回路621の出力と基準電圧を比較するコンパレータ622、コンパレータ622の出力に応じて発振動作を行う発振回路623、発振回路623からの出力に応じてチャージ・ポンプ回路610の容量素子C1に相補的なクロック信号を出力する駆動回路624を備えている。   The control circuit 620 controls the charge pump circuit 610 by repeatedly supplying and stopping the clock signal so that the output voltage Vout1 of the charge pump circuit 610 becomes a constant value. The control circuit 620 divides the output voltage of the charge pump circuit 610, the comparator 622 that compares the output of the voltage dividing circuit 621 and the reference voltage, and the oscillation circuit 623 that performs an oscillation operation according to the output of the comparator 622. The driving circuit 624 outputs a complementary clock signal to the capacitive element C1 of the charge pump circuit 610 according to the output from the oscillation circuit 623.

チャージ・ポンプ型昇圧回路600の回路動作について説明する。起動時において、出力電圧Vout1は0である。コンパレータ622は、分圧回路621によって分圧された出力電圧Vout1と基準電圧Vrefを比較し、比較信号を発信回路623に出力する。発振回路623は、コンパレータ622からの比較信号に応じて、クロック信号を出力する。クロック信号は駆動回路624に入力され、相補的な2相のクロック信号に変換されて、チャージ・ポンプ回路610の容量素子に入力される。チャージ・ポンプ回路610はクロック信号に応じてチャージ動作を行い、出力電圧Vout1を昇圧する。   The circuit operation of the charge pump type booster circuit 600 will be described. At startup, the output voltage Vout1 is zero. The comparator 622 compares the output voltage Vout1 divided by the voltage dividing circuit 621 with the reference voltage Vref, and outputs a comparison signal to the transmission circuit 623. The oscillation circuit 623 outputs a clock signal in accordance with the comparison signal from the comparator 622. The clock signal is input to the drive circuit 624, converted into a complementary two-phase clock signal, and input to the capacitive element of the charge pump circuit 610. The charge pump circuit 610 performs a charge operation according to the clock signal, and boosts the output voltage Vout1.

出力電圧Vout1が上昇すると、分圧回路621の出力が基準電圧Vrefよりも大きくなり、コンパレータ622の比較信号が変化する。発振回路623は、コンパレータ622からの比較信号の変化に応じて、クロック信号の出力を停止する。チャージ・ポンプ回路610は昇圧動作を停止する。出力電圧Vout1が低下すると、制御回路620はクロック信号の供給を開始し、チャージ・ポンプ回路610の昇圧動作が再開される。以下、同様の動作が繰り返され、出力電圧Vout1が一定に保たれる。   When the output voltage Vout1 increases, the output of the voltage dividing circuit 621 becomes larger than the reference voltage Vref, and the comparison signal of the comparator 622 changes. The oscillation circuit 623 stops outputting the clock signal in response to the change in the comparison signal from the comparator 622. The charge pump circuit 610 stops the boosting operation. When the output voltage Vout1 decreases, the control circuit 620 starts supplying the clock signal, and the boosting operation of the charge pump circuit 610 is resumed. Thereafter, the same operation is repeated, and the output voltage Vout1 is kept constant.

図7は、典型的な発振回路623の一部構成を示す回路図である。図7の回路構成は、例えば、非特許文献1に開示されている。図7に示すように、発振回路623において、NMOSトランジスタTr2及びNMOSトランジスタTr2のドレインと電源Vddとの間の接続された抵抗素子Rを含むソース接地回路と、ソース接地回路の出力に接続された容量素子C2とから構成される回路が、複数段直列に接続されている。図7の例においては、3段の回路が直列に接続されている。   FIG. 7 is a circuit diagram showing a partial configuration of a typical oscillation circuit 623. The circuit configuration of FIG. 7 is disclosed in Non-Patent Document 1, for example. As shown in FIG. 7, in the oscillation circuit 623, the source ground circuit including the NMOS transistor Tr2, the resistance element R connected between the drain of the NMOS transistor Tr2 and the power source Vdd, and the output of the source ground circuit are connected. A circuit composed of the capacitive element C2 is connected in a plurality of stages in series. In the example of FIG. 7, three stages of circuits are connected in series.

特開2003−242790号公報JP 2003-242790 A 「アナログCMOS集積回路」 Behzad Razavi 著/黒田忠広 監訳、丸善株式会社、p590"Analog CMOS integrated circuit" written by Behzad Razavi / translated by Tadahiro Kuroda, Maruzen Co., Ltd., p590

図7に示された発振回路の周波数fは、容量素子C2の容量値に反比例する。一方、図6に示されたチャージ・ポンプ回路610の電流能力Icpは、発振回路623の発振周波数fと、チャージ・ポンプ回路610の容量素子C1の容量値に比例する。従来のチャージ・ポンプ型昇圧回路600においては、チャージ・ポンプ回路610は電源電圧を昇圧するため、容量素子C1は高耐圧素子として形成することが必要とされている。一方、発振回路623においては、容量素子C2の面積を小さくするために、低耐圧素子として容量素子C2が形成されていた。   The frequency f of the oscillation circuit shown in FIG. 7 is inversely proportional to the capacitance value of the capacitive element C2. On the other hand, the current capability Icp of the charge pump circuit 610 shown in FIG. 6 is proportional to the oscillation frequency f of the oscillation circuit 623 and the capacitance value of the capacitive element C1 of the charge pump circuit 610. In the conventional charge pump type booster circuit 600, since the charge pump circuit 610 boosts the power supply voltage, the capacitive element C1 is required to be formed as a high breakdown voltage element. On the other hand, in the oscillation circuit 623, the capacitive element C2 is formed as a low breakdown voltage element in order to reduce the area of the capacitive element C2.

半導体回路装置においては、製造におけるばらつきを避けることができないが、従来技術にように、チャージ・ポンプ回路610の容量素子C1と発振回路623の容量素子C2を異なる耐圧素子として形成することによって、チャージ・ポンプ回路610の電流能力Icpにばらつきが生ずる問題があった。電流能力Icpのばらつきのために、それを考慮したマージンの設計が必要となり、昇圧回路600のサイズ増大及びそれに伴う消費電力の増加につながっていた。   In the semiconductor circuit device, manufacturing variations cannot be avoided. However, as in the prior art, the capacitance element C1 of the charge pump circuit 610 and the capacitance element C2 of the oscillation circuit 623 are formed as different withstand voltage elements. There is a problem that the current capability Icp of the pump circuit 610 varies. Due to variations in the current capability Icp, it is necessary to design a margin in consideration of this, leading to an increase in the size of the booster circuit 600 and an accompanying increase in power consumption.

本発明は上記のような事情を背景としてなされたものであって、チャージ・ポンプ型昇圧回路において、電流能力のばらつきを低減することを目的とする。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるだろう。   The present invention has been made in the background as described above, and it is an object of the present invention to reduce variations in current capability in a charge pump type booster circuit. 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.

本発明の第1の態様に係る半導体回路装置は、転送される電荷を一時的に蓄積する複数の容量素子を備えるチャージ・ポンプ回路と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子のそれぞれにクロック信号を出力する発振回路と、を備え、前記複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の発振周波数を規定する容量成分の容量膜とは、厚みが実質的に同一である。この構成を有することによって、チャージ・ポンプ回路の電流能力のばらつきを低減することができる。   A semiconductor circuit device according to a first aspect of the present invention includes a charge pump circuit including a plurality of capacitive elements for temporarily storing transferred charges, and a clock for each of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit. The capacitive film of the plurality of capacitive elements and the capacitive film of the capacitive component that defines the oscillation frequency of the oscillation circuit have substantially the same thickness. By having this configuration, variation in the current capability of the charge pump circuit can be reduced.

前記発振回路は、前記容量成分として作用する容量素子を備え、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の容量素子の容量膜とは、厚みが実質的に同一であることができる。あるいは、前記発振回路は、前記容量成分として作用するMOSトランジスタを備え、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜とは、厚みが実質的に同一であることができる。   The oscillation circuit includes a capacitive element that acts as the capacitive component, and the capacitive films of the capacitive elements of the charge pump circuit and the capacitive film of the capacitive element of the oscillation circuit have substantially the same thickness. Can be. Alternatively, the oscillation circuit includes a MOS transistor that acts as the capacitive component, and the gate insulating film of the MOS transistor and the capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit have substantially the same thickness. Can be.

本発明の第2の態様に係る半導体回路装置は、転送された電荷を一時的に蓄積する複数の容量素子を備えるチャージ・ポンプ回路と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子のそれぞれにクロック信号を出力する発振回路と、を備え、前記複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の発振周波数を規定する容量成分の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されている。この構成を有することによって、チャージ・ポンプ回路の電流能力のばらつきを低減することができる。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor circuit device comprising: a charge pump circuit including a plurality of capacitive elements for temporarily storing transferred charges; and a clock for each of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit. An oscillation circuit that outputs a signal, and the capacitive film of the plurality of capacitive elements and the capacitive film of a capacitive component that defines an oscillation frequency of the oscillation circuit are formed in the same process. By having this configuration, variation in the current capability of the charge pump circuit can be reduced.

前記発振回路は、前記容量成分として作用する容量素子を備え、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の容量素子の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されていることができる。あるいは、前記発振回路は、前記容量成分として作用するMOSトランジスタを備え、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されていることができる。   The oscillation circuit includes a capacitive element that acts as the capacitive component, and the capacitive films of the capacitive elements of the charge pump circuit and the capacitive film of the capacitive element of the oscillation circuit are formed in the same process. be able to. Alternatively, the oscillation circuit includes a MOS transistor that acts as the capacitive component, and the gate insulating film of the MOS transistor and the capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit are formed in the same process. be able to.

本発明によれば、チャージ・ポンプ回路の電流能力のばらつきを低減することができる。   According to the present invention, variation in current capability of the charge pump circuit can be reduced.

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。尚、各図面において、同一要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略されている。   Hereinafter, embodiments to which the present invention can be applied will be described. The following description is to describe the embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. For clarity of explanation, the following description and drawings are omitted and simplified as appropriate. Moreover, those skilled in the art can easily change, add, and convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention. In addition, in each drawing, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and the duplication description is abbreviate | omitted as needed for clarification of description.

図1は、本実施形態における昇圧回路100の概略構成を示す図である。昇圧回路100は、例えば、フラッシュ・メモリのような不揮発性半導体記憶装置などにおいて使用されている。昇圧回路100は、チャージ・ポンプ回路110及びチャージ・ポンプ回路110を制御するチャージ・ポンプ制御回路120を備えている。チャージ・ポンプ回路110の出力には負荷180が接続されている。負荷180は、例えば、フラッシュ・メモリのメモリ・セルなどが該当する。チャージ・ポンプ回路110は、電源電圧Vddを昇圧して出力し、その出力電圧Vout1は、チャージ・ポンプ制御回路120の制御において、所定の一定出力となるように制御される。   FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a booster circuit 100 in the present embodiment. The booster circuit 100 is used in, for example, a nonvolatile semiconductor memory device such as a flash memory. The booster circuit 100 includes a charge pump circuit 110 and a charge pump control circuit 120 that controls the charge pump circuit 110. A load 180 is connected to the output of the charge pump circuit 110. The load 180 corresponds to, for example, a memory cell of a flash memory. The charge pump circuit 110 boosts and outputs the power supply voltage Vdd, and the output voltage Vout1 is controlled to be a predetermined constant output in the control of the charge pump control circuit 120.

チャージ・ポンプ回路110は、電源Vddと出力Vout1の間において直列に接続され、電荷の転送を制御する複数の(図1においてはn+1個)NMOSトランジスタTr1と、各トランジスタの間のノードに接続され転送電荷を一時的に蓄積する複数の容量素子C1とを備えている。従って、図1において、全部でnの容量素子C1が示されている。各NMOSトランジスタTr1はダイオード接続されており、そのゲートとドレインが短絡されている。又、隣り合うNMOSトランジスタTr1のソースとドレインが接続されている。   The charge pump circuit 110 is connected in series between the power supply Vdd and the output Vout1, and is connected to a plurality of (n + 1 in FIG. 1) NMOS transistors Tr1 for controlling charge transfer and a node between the transistors. And a plurality of capacitive elements C1 for temporarily storing transfer charges. Therefore, in FIG. 1, a total of n capacitive elements C1 are shown. Each NMOS transistor Tr1 is diode-connected, and its gate and drain are short-circuited. The source and drain of the adjacent NMOS transistor Tr1 are connected.

各NMOSトランジスタTr1の間のノードに容量素子C1の一端が接続され、容量素子C1の他端には、チャージ・ポンプ制御回路120からの制御信号が入力される。容量素子C1のそれぞれにクロック信号が入力されることによって、電荷が出力側の容量素子に転送され、出力電圧を昇圧することができる。   One end of the capacitive element C1 is connected to a node between the NMOS transistors Tr1, and a control signal from the charge pump control circuit 120 is input to the other end of the capacitive element C1. When a clock signal is input to each of the capacitive elements C1, charges are transferred to the capacitive element on the output side, and the output voltage can be boosted.

チャージ・ポンプ制御回路120は、抵抗分圧回路121、コンパレータ122、発振回路123及び駆動回路124を備えている。抵抗分圧回路121は、直列接続された抵抗R1、R2から構成されており、その中間ノードから出力Vout2を出力する。コンパレータ121は、抵抗分圧回路121によって分圧されたチャージ・ポンプ回路110の出力Vout1と基準レベルVrefを比較して、その大小関係に応じた比較信号Vout3を出力する。抵抗分圧回路121の出力Vout2が、コンパレータ122の非反転入力に入力され、基準レベルVrefが反転入力に入力されている。   The charge pump control circuit 120 includes a resistance voltage dividing circuit 121, a comparator 122, an oscillation circuit 123, and a drive circuit 124. The resistance voltage dividing circuit 121 is composed of resistors R1 and R2 connected in series, and outputs an output Vout2 from its intermediate node. The comparator 121 compares the output Vout1 of the charge pump circuit 110 divided by the resistance voltage dividing circuit 121 with the reference level Vref, and outputs a comparison signal Vout3 corresponding to the magnitude relationship. The output Vout2 of the resistance voltage dividing circuit 121 is input to the non-inverting input of the comparator 122, and the reference level Vref is input to the inverting input.

コンパレータ122の出力は発振回路123に接続されている。発振回路123は、コンパレータ122からの出力Vout3に応じて、クロック信号もしくは所定の固定電位をVout4として出力する。具体的には、Lレベルの信号が入力されている間は、発振回路123はクロック信号(Vout4)を出力し、Hレベルの信号が入力されている間は、発振回路123は固定電位のVout4を出力する。発振回路123の構成については、後に説明される。駆動回路124は、発振回路123からの出力を反転した出力Vout5と、Vout5と相補的な関係にあるVout6を、制御信号として出力する。Vout5は奇数番目の容量素子C1(2k−1)に入力され、Vout6は偶数番目の容量素子C1(2k)に入力される。   The output of the comparator 122 is connected to the oscillation circuit 123. The oscillation circuit 123 outputs a clock signal or a predetermined fixed potential as Vout4 according to the output Vout3 from the comparator 122. Specifically, the oscillation circuit 123 outputs a clock signal (Vout4) while an L level signal is input, and the oscillation circuit 123 outputs a fixed potential Vout4 while an H level signal is input. Is output. The configuration of the oscillation circuit 123 will be described later. The drive circuit 124 outputs, as control signals, an output Vout5 obtained by inverting the output from the oscillation circuit 123 and Vout6 that is in a complementary relationship with Vout5. Vout5 is input to the odd-numbered capacitive element C1 (2k-1), and Vout6 is input to the even-numbered capacitive element C1 (2k).

図1に示された昇圧回路100の動作について説明する。図2(a)は、チャージ・ポンプ制御回路120から容量素子C1に入力される相補的なクロック信号Vouto5、Vout6を示している。チャージ・ポンプ回路110は、容量素子C1に入力される相補的なクロック信号に応じて電荷をVdd側から出力Vout1側へ転送することによって、電源電圧Vddを昇圧して出力する。出力電圧Vout1は、概算的には、NMOSトランジスタTr1の閾値電圧をVth、トランジスタの段数を図1のように(n+1)とすると、(Vdd×(n+1)−Vth×(n+1))まで昇圧することができる。本昇圧回路100は、基準電圧Vref=Vout1×R2/(R1+R2)(=Vout2)となるように、出力電圧Vout1を制御する。   The operation of the booster circuit 100 shown in FIG. 1 will be described. FIG. 2A shows complementary clock signals Vouto5 and Vout6 inputted from the charge pump control circuit 120 to the capacitive element C1. The charge pump circuit 110 boosts and outputs the power supply voltage Vdd by transferring charges from the Vdd side to the output Vout1 side in accordance with a complementary clock signal input to the capacitive element C1. Approximately, the output voltage Vout1 is boosted to (Vdd × (n + 1) −Vth × (n + 1)) where the threshold voltage of the NMOS transistor Tr1 is Vth and the number of transistor stages is (n + 1) as shown in FIG. be able to. The booster circuit 100 controls the output voltage Vout1 so that the reference voltage Vref = Vout1 × R2 / (R1 + R2) (= Vout2).

昇圧回路100の全体の動作について説明する。図2(b)は、出力電圧Vout1、コンパレータ出力Vout3の関係を示している。出力電圧Vout1は、回路動作を説明するために模式的に示されている。動作開始時において、出力電圧Vout1は、「0」となっている。抵抗分圧回路121の出力Vout2も「0」であり、Vrefよりも小さい値となっている。このため、コンパレータの出力Vout3は「L」となる。発振回路123はクロック信号を出力し、駆動回路124から相補的なクロック信号Vout5、Vout6がチャージ・ポンプ回路110の容量素子C1に入力される。クロック信号が入力されている間、チャージ・ポンプ回路110は出力電圧Vout1を昇圧する。   The overall operation of the booster circuit 100 will be described. FIG. 2B shows the relationship between the output voltage Vout1 and the comparator output Vout3. The output voltage Vout1 is schematically shown for explaining the circuit operation. At the start of the operation, the output voltage Vout1 is “0”. The output Vout2 of the resistance voltage dividing circuit 121 is also “0”, which is a value smaller than Vref. For this reason, the output Vout3 of the comparator becomes “L”. The oscillation circuit 123 outputs a clock signal, and complementary clock signals Vout5 and Vout6 are input from the drive circuit 124 to the capacitive element C1 of the charge pump circuit 110. While the clock signal is input, the charge pump circuit 110 boosts the output voltage Vout1.

出力電圧Vout1が上昇し、基準電圧Vref<Vout1×R2/(R1+R2)となると、抵抗分圧回路121の出力Vout2が基準電圧Vrefよりも大きくなるため、コンパレータの出力Vout3が「H」となる。コンパレータの出力Vout3が「H」となると、発振回路123はクロック信号の出力から、固定電位出力にVout4を変化させる。駆動回路124は固定電位Vout5、6を出力し、チャージ・ポンプ回路110は昇圧動作(チャージ動作)を停止する。   When the output voltage Vout1 rises and becomes the reference voltage Vref <Vout1 × R2 / (R1 + R2), the output Vout2 of the resistance voltage dividing circuit 121 becomes larger than the reference voltage Vref, so that the output Vout3 of the comparator becomes “H”. When the output Vout3 of the comparator becomes “H”, the oscillation circuit 123 changes Vout4 from the output of the clock signal to the fixed potential output. The drive circuit 124 outputs fixed potentials Vout5 and Vout 6, and the charge pump circuit 110 stops the boosting operation (charging operation).

出力電位Vout1が徐々に低下し、基準電圧Vref>Vout1×R2/(R1+R2)となると、コンパレータ出力Vout3が「H」から「L」に変化し、発振回路123がクロック信号の出力を開始する。クロック信号の入力に応答して、チャージ・ポンプ回路110が昇圧動作を開始する。以下、上記の動作を繰り返すことによって、出力電圧Vout1が予め定められた電圧値に維持される。   When the output potential Vout1 gradually decreases and becomes the reference voltage Vref> Vout1 × R2 / (R1 + R2), the comparator output Vout3 changes from “H” to “L”, and the oscillation circuit 123 starts outputting the clock signal. In response to the input of the clock signal, the charge pump circuit 110 starts the boosting operation. Thereafter, by repeating the above operation, the output voltage Vout1 is maintained at a predetermined voltage value.

図3は、本形態の発振回路123の概略構成を示す回路図である。図3に示すように、発振回路123は、直列に接続された複数のインバータ回路301を備えている。図3の例においては、4つのインバータ回路301が示されている。インバータ回路301としては、通常のCMOSインバータ回路を使用することができる。各インバータ回路301の出力には抵抗素子R3(R31−R34)と容量素子C2(C21−C24)が接続されている。抵抗素子R3は、インバータ回路301間において直列に接続され、容量素子C2の一端は、本例ではグランドに接続されている。   FIG. 3 is a circuit diagram showing a schematic configuration of the oscillation circuit 123 of the present embodiment. As shown in FIG. 3, the oscillation circuit 123 includes a plurality of inverter circuits 301 connected in series. In the example of FIG. 3, four inverter circuits 301 are shown. As the inverter circuit 301, a normal CMOS inverter circuit can be used. The output of each inverter circuit 301 is connected to a resistor element R3 (R31-R34) and a capacitor element C2 (C21-C24). The resistor element R3 is connected in series between the inverter circuits 301, and one end of the capacitor element C2 is connected to the ground in this example.

発振回路123は、直列に接続されたインバータ回路301の前段に、NAND回路320を備えている。NAND回路320の出力と初段のインバータ回路310aの間には、抵抗素子R35と容量素子C25が接続されている。これらは、インバータ回路301間の抵抗素子R31−34と容量素子C21−24と同様の態様で接続されている。NAND回路320の一つの入力には、インバータ回路330を介して、コンパレータ122の出力Vout3が入力される。また、もう一方の入力には、直列接続されたインバータ回路301、抵抗素子R3、そして容量素子C2からなる回路の最終段の出力が入力される。発振回路123の出力信号は、抵抗素子R35と初段インバータ回路301aの間のノード(初段インバータ回路301aの入力)から出力される。   The oscillation circuit 123 includes a NAND circuit 320 in the preceding stage of the inverter circuit 301 connected in series. A resistor element R35 and a capacitor element C25 are connected between the output of the NAND circuit 320 and the first-stage inverter circuit 310a. These are connected in the same manner as the resistive element R31-34 and the capacitive element C21-24 between the inverter circuits 301. The output Vout3 of the comparator 122 is input to one input of the NAND circuit 320 via the inverter circuit 330. The other input is the output of the final stage of the circuit composed of the inverter circuit 301, the resistor element R3, and the capacitor element C2 connected in series. The output signal of the oscillation circuit 123 is output from a node between the resistance element R35 and the first stage inverter circuit 301a (input of the first stage inverter circuit 301a).

発振回路123の発振周波数は、発振回路123内の容量素子C2の容量値に逆比例する。つまり、
f∝1/C2
の関係が存在する。一方、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpは、発振回路123の周波数f、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1の容量値、そして電源電圧に比例する。つまり
Icp∝f*C1*Vdd
の関係が存在する。
The oscillation frequency of the oscillation circuit 123 is inversely proportional to the capacitance value of the capacitive element C2 in the oscillation circuit 123. That means
f∝1 / C2
The relationship exists. On the other hand, the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is proportional to the frequency f of the oscillation circuit 123, the capacitance value of the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110, and the power supply voltage. In other words, Icp∝f * C1 * Vdd
The relationship exists.

上記2つの関係式から、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpと、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1、発振回路123の容量素子C2の関係は、
Icp∝Vdd*C1/C2
となる。つまり、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpは、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1と発振回路123の容量素子C2の容量比に比例する。
From the above two relational expressions, the relationship between the current capability Icp of the charge pump circuit 110, the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110, and the capacitive element C2 of the oscillation circuit 123 is
Icp∝Vdd * C1 / C2
It becomes. That is, the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is proportional to the capacitance ratio of the boosting capacitive element C1 of the charge pump circuit 110 and the capacitive element C2 of the oscillation circuit 123.

本形態において、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1と発振回路123の容量素子C2の容量膜(酸化絶縁膜)が実質的に同一となるように、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1と発振回路123の容量素子C2が形成される。さらに好ましくは、容量素子C1と容量素子C2は、同一プロセスにおいて同時に形成される。各容量素子の容量膜をこのように形成することによって、容量素子C1と容量素子C2の容量膜のばらつきに起因する容量比のばらつきを大きく低減することができる。容量比のばらつきが減少することによって、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpのばらつきが低減され、設計マージンを確保することが可能となる。   In this embodiment, the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110 is set so that the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110 and the capacitive film (oxide insulating film) of the capacitive element C2 of the oscillation circuit 123 are substantially the same. Thus, the capacitive element C2 of the oscillation circuit 123 is formed. More preferably, the capacitive element C1 and the capacitive element C2 are simultaneously formed in the same process. By forming the capacitive film of each capacitive element in this way, it is possible to greatly reduce the variation in the capacitance ratio caused by the variation in the capacitive film between the capacitive element C1 and the capacitive element C2. By reducing the variation in the capacitance ratio, the variation in the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is reduced, and a design margin can be secured.

つまり、同一厚さの容量膜を備える場合、特に、同一プロセスでこれらを形成する場合、チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1と発振回路123の容量素子C2の容量膜のばらつきは、同程度のばらつきとなる。上記のように、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpは、容量素子C1と容量素子C2の容量比に比例する。   That is, when the capacitor films having the same thickness are provided, particularly when they are formed by the same process, the variations in the capacitor films of the push-up capacitor element C1 of the charge pump circuit 110 and the capacitor element C2 of the oscillation circuit 123 are approximately the same. Variation. As described above, the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is proportional to the capacitance ratio between the capacitive element C1 and the capacitive element C2.

容量素子C1と容量素子C2の容量膜のばらつきが同じ程度である場合、容量膜のばらつきによって容量比は実質的には一定に保たれる。このため、容量膜のばらつき(容量値のばらつき)が生じても、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpはほぼ一定に保たれる。このため、チャージ・ポンプ回路110の電流能力Icpのばらつきが大きく低減され、設計マージンを確保することが可能となる。このため昇圧回路の小型化及びそれに伴う消費電力の低減の効果を奏することができる。   When the capacitance films C1 and C2 have the same variation in capacitance film, the capacitance ratio is kept substantially constant due to the capacitance film variation. Therefore, even if the capacitance film varies (capacitance value variation), the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is kept substantially constant. For this reason, variation in the current capability Icp of the charge pump circuit 110 is greatly reduced, and a design margin can be secured. As a result, the booster circuit can be miniaturized and power consumption can be reduced accordingly.

チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1には昇圧のために高電圧が印加されるため、耐圧の高い素子を使用する必要がある。耐圧の高い容量素子は、容量膜を厚く形成することによって形成することができる。発振回路123の容量素子C2も同様に、耐圧の高い素子を使用する。発振回路123のためには、高耐圧素子である必要はないが、上記のように容量膜のばらつきによるIcpのばらつきを低減するため、発振回路123の容量素子C2の容量膜も容量素子C1と同一の厚さで、さらに好ましくは同一のプロセスで同時に形成される。   Since a high voltage is applied to the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110 for boosting, it is necessary to use an element with a high breakdown voltage. A capacitor element with high withstand voltage can be formed by forming a capacitor film thick. Similarly, the capacitor C2 of the oscillation circuit 123 uses an element with a high breakdown voltage. The oscillation circuit 123 does not need to be a high breakdown voltage element. However, in order to reduce the variation of Icp due to the variation of the capacitance film as described above, the capacitance film of the capacitance element C2 of the oscillation circuit 123 is also different from that of the capacitance element C1. They are formed simultaneously with the same thickness, more preferably in the same process.

図4は、容量素子C1、C2の概略的なデバイス構成を示す模式図である。図4はP型基板上に容量素子を形成する例が示されている。図4に示すように、容量素子は、P型基板401上形成された容量酸化膜402、容量酸化膜上に形成されたメタル層403、P型基板内に形成されたP拡散領域404、そして、P拡散領域上に形成されたメタル層405から構成されている。メタル層403、405は、アルミニウムあるいは銅などによって形成することができる。容量酸化膜402の膜厚を制御することによって、容量素子の容量値を決定することができる。高耐圧素子は、厚い容量酸化膜402を備えている。容量酸化膜402は、熱酸化法などの通常の半導体プロセスによって形成することができる。 FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a schematic device configuration of the capacitive elements C1 and C2. FIG. 4 shows an example in which a capacitive element is formed on a P-type substrate. As shown in FIG. 4, the capacitive element includes a capacitive oxide film 402 formed on a P-type substrate 401, a metal layer 403 formed on the capacitive oxide film, a P + diffusion region 404 formed in the P-type substrate, The metal layer 405 is formed on the P + diffusion region. The metal layers 403 and 405 can be formed of aluminum or copper. By controlling the thickness of the capacitor oxide film 402, the capacitance value of the capacitor can be determined. The high breakdown voltage element includes a thick capacitive oxide film 402. The capacitor oxide film 402 can be formed by a normal semiconductor process such as a thermal oxidation method.

図3の発振回路123は、インバータ回路301の間に容量素子C2が接続されているが、MOSトランジスタのゲート容量を利用することによって、この容量素子を使用することなく発振回路を形成することも可能である。図5(a)は、容量素子を有してない発振回路510の構成例を示している。複数のインバータ回路511を直列に接続することによって、容量素子を使用しない発振回路を構成することができる。直列に接続されたインバータ回路の前段には、上記に示されたNAND回路320とNAND回路320の入力に接続されたインバータ回路330が接続されている。発振回路510の周波数fを決定する容量成分は、インバータ回路511に含まれるMOSトランジスタのゲート容量が担うことができる。   In the oscillation circuit 123 of FIG. 3, the capacitive element C2 is connected between the inverter circuits 301. However, by using the gate capacitance of the MOS transistor, an oscillation circuit can be formed without using this capacitive element. Is possible. FIG. 5A illustrates a configuration example of the oscillation circuit 510 that does not include a capacitor. By connecting a plurality of inverter circuits 511 in series, an oscillation circuit that does not use a capacitor can be configured. The NAND circuit 320 shown above and the inverter circuit 330 connected to the input of the NAND circuit 320 are connected to the preceding stage of the inverter circuits connected in series. The capacitance component that determines the frequency f of the oscillation circuit 510 can be borne by the gate capacitance of the MOS transistor included in the inverter circuit 511.

図5(b)は、典型的なNMOSトランジスタのデバイス構成の概略を示す模式図である。図5(b)は、P型基板上に形成されたNMOSトランジスタ550が示されている。よく知られているように、NMOSトランジスタ550は、ポリシリコンで形成可能なゲート551、ゲート551とP型基板552の間に形成されたゲート酸化膜553、ソース/ドレインとなるN拡散領域554、555を備えている。図5(b)の例においては、MOFET550は他の素子と絶縁分離膜556によって分離される。尚、MOSトランジスタの製造方法は広く知られた技術であり、説明は省略される。 FIG. 5B is a schematic diagram showing an outline of a typical NMOS transistor device configuration. FIG. 5B shows an NMOS transistor 550 formed on a P-type substrate. As is well known, the NMOS transistor 550 includes a gate 551 that can be formed of polysilicon, a gate oxide film 553 formed between the gate 551 and the P-type substrate 552, and an N + diffusion region 554 that serves as a source / drain. 555. In the example of FIG. 5B, the MOFET 550 is separated from other elements by an insulating separation film 556. Note that the MOS transistor manufacturing method is a well-known technique, and a description thereof will be omitted.

上記のように、MOSトランジスタ550は、ゲート電極551とP型基板552との間にゲート酸化膜553が形成されている。このゲート酸化膜553を厚く形成することによって、高耐圧素子としてのMOSトランジスタを形成することができる。ゲート酸化膜553の形成は、容量素子と同様に、熱酸化法などの通常の半導体プロセスによって形成することができる。   As described above, in the MOS transistor 550, the gate oxide film 553 is formed between the gate electrode 551 and the P-type substrate 552. By forming the gate oxide film 553 thick, a MOS transistor as a high breakdown voltage element can be formed. The gate oxide film 553 can be formed by a normal semiconductor process such as a thermal oxidation method, similarly to the capacitor element.

チャージ・ポンプ回路110の押し上げ容量素子C1の容量膜と、発信回路124を形成するMOSトランジスタ550のゲート酸化膜553を同一の厚さにおいて形成する、特に、同一プロセスにおいて同時にこれらを形成することが好ましい。これによって、発振回路123の周波数成分を決定する容量成分と、チャージ・ポンプ110の容量素子C2の間の容量比を一定に保つことができ、製造におけるばらつきによるチャージ・ポンプ110の電流能力Icpのばらつきを低減することができる。電流能力Icpのばらつきが低減されることによって、設計時に見込むマージンが小さくなり、小さい昇圧回路によって同等の電流能力をもつことが可能となる。この結果、消費電力の低減を実現することも可能となる。   The capacitive film of the push-up capacitive element C1 of the charge pump circuit 110 and the gate oxide film 553 of the MOS transistor 550 that forms the transmission circuit 124 are formed with the same thickness. In particular, they can be formed simultaneously in the same process. preferable. As a result, the capacitance ratio between the capacitance component that determines the frequency component of the oscillation circuit 123 and the capacitance element C2 of the charge pump 110 can be kept constant, and the current capability Icp of the charge pump 110 due to manufacturing variations can be maintained. Variations can be reduced. By reducing the variation in the current capability Icp, the margin expected at the time of designing is reduced, and it is possible to have the same current capability with a small booster circuit. As a result, it is possible to reduce power consumption.

尚、上記実施形態においては、チャージ・ポンプ回路110の電荷の転送は、ダイオード接続されたNMOSトランジスタTr1が行うが、これに代えて、ダイオード素子を使用する、あるいは、通常のNMOSトランジスタなどのスイッチ素子を使用して、電荷の転送を制御することも可能である。また、発振回路123は、例えば、従来の技術において説明されたようにNMOSトランジスタと抵抗素子からなるインバータ回路及びインバータ回路の出力に接続された容量素子を使用して構成することも可能である。尚、本形態においては、電圧を正の方向に昇圧する正の昇圧回路が例として説明されているが、本発明は、電源電圧を負の方向に昇圧する負の昇圧回路に適用することも可能である。   In the above embodiment, the charge transfer of the charge pump circuit 110 is performed by the diode-connected NMOS transistor Tr1, but instead of this, a diode element is used or a switch such as a normal NMOS transistor is used. Devices can also be used to control charge transfer. The oscillation circuit 123 can also be configured using, for example, an inverter circuit composed of an NMOS transistor and a resistance element and a capacitor connected to the output of the inverter circuit as described in the prior art. In this embodiment, a positive booster circuit that boosts the voltage in the positive direction has been described as an example. However, the present invention may be applied to a negative booster circuit that boosts the power supply voltage in the negative direction. Is possible.

本実施形態における、昇圧回路の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the booster circuit in this embodiment. 本実施形態における、昇圧回路の動作を説明するタイミング図である。FIG. 6 is a timing chart for explaining the operation of the booster circuit in the present embodiment. 本実施形態における、発振回路の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows schematic structure of the oscillation circuit in this embodiment. 本実施形態における、容量素子のデバイス構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the device structure of the capacitive element in this embodiment. 本実施形態における、発振回路の概略構成及びMOSトランジスタのデバイス構成を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a schematic configuration of an oscillation circuit and a device configuration of a MOS transistor in the present embodiment. 従来の技術における、昇圧回路の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the booster circuit in a prior art. 従来の技術における、発振回路の概略構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows schematic structure of the oscillation circuit in a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

C1 容量素子、C2 容量素子、R 抵抗素子、R1 抵抗素子、R3 抵抗素子、
R3 抵抗素子、Tr1 MOSトランジスタ、Tr2 MOSトランジスタ、
100 昇圧回路、110 チャージ・ポンプ回路、
120 チャージ・ポンプ制御回路、121 コンパレータ、121 抵抗分圧回路、
122 コンパレータ、123 発振回路、124 駆動回路、180 負荷、
301 インバータ回路、320 NAND回路、330 インバータ回路、
401 P型基板、402 容量酸化膜、403 メタル層、404 P拡散領域、
405 メタル層、510 発振回路、511 インバータ回路、
550 NMOSトランジスタ、551 ゲート電極、552 P型基板、
553 ゲート酸化膜、554 N拡散領域、555 N拡散領域、
556 絶縁分離膜、600 チャージ・ポンプ型昇圧回路、
610 チャージ・ポンプ回路、620 制御回路、621 分圧回路、
622 コンパレータ、623 発信回路、624 駆動回路、630 負荷
C1 capacitive element, C2 capacitive element, R resistive element, R1 resistive element, R3 resistive element,
R3 resistance element, Tr1 MOS transistor, Tr2 MOS transistor,
100 booster circuit, 110 charge pump circuit,
120 charge pump control circuit, 121 comparator, 121 resistance voltage dividing circuit,
122 comparator, 123 oscillation circuit, 124 drive circuit, 180 load,
301 inverter circuit, 320 NAND circuit, 330 inverter circuit,
401 P-type substrate, 402 capacitive oxide film, 403 metal layer, 404 P + diffusion region,
405 metal layer, 510 oscillation circuit, 511 inverter circuit,
550 NMOS transistor, 551 gate electrode, 552 P-type substrate,
553 gate oxide film, 554 N + diffusion region, 555 N + diffusion region,
556 insulating separation membrane, 600 charge pump type booster circuit,
610 charge pump circuit, 620 control circuit, 621 voltage dividing circuit,
622 Comparator, 623 Transmitter circuit, 624 Drive circuit, 630 Load

Claims (6)

転送される電荷を一時的に蓄積する複数の容量素子を備えるチャージ・ポンプ回路と、
前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子のそれぞれにクロック信号を出力する発振回路と、を備え、
前記複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の発振周波数を規定する容量成分の容量膜とは、厚みが実質的に同一である、
半導体回路装置。
A charge pump circuit comprising a plurality of capacitive elements for temporarily storing transferred charges;
An oscillation circuit that outputs a clock signal to each of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit,
The capacitive films of the plurality of capacitive elements and the capacitive film of the capacitive component that defines the oscillation frequency of the oscillation circuit have substantially the same thickness.
Semiconductor circuit device.
前記発振回路は、前記容量成分として作用する容量素子を備え、
前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の容量素子の容量膜とは、厚みが実質的に同一である、
請求項1に記載の半導体回路装置。
The oscillation circuit includes a capacitive element that acts as the capacitive component,
The capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit and the capacitive films of the capacitive elements of the oscillation circuit have substantially the same thickness.
The semiconductor circuit device according to claim 1.
前記発振回路は、前記容量成分として作用するMOSトランジスタを備え、
前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜とは、厚みが実質的に同一である、
請求項1に記載の半導体回路装置。
The oscillation circuit includes a MOS transistor that acts as the capacitance component,
The gate insulating film of the MOS transistor and the capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit have substantially the same thickness.
The semiconductor circuit device according to claim 1.
転送された電荷を一時的に蓄積する複数の容量素子を備えるチャージ・ポンプ回路と、
前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子のそれぞれにクロック信号を出力する発振回路と、を備え、
前記複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の発振周波数を規定する容量成分の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されている、
半導体回路装置。
A charge pump circuit comprising a plurality of capacitive elements for temporarily storing transferred charges;
An oscillation circuit that outputs a clock signal to each of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit,
The capacitive films of the plurality of capacitive elements and the capacitive film of the capacitive component defining the oscillation frequency of the oscillation circuit are formed in the same process.
Semiconductor circuit device.
前記発振回路は、前記容量成分として作用する容量素子を備え、
前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜と、前記発振回路の容量素子の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されている、
請求項4に記載の半導体回路装置。
The oscillation circuit includes a capacitive element that acts as the capacitive component,
The capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit and the capacitive film of the capacitive element of the oscillation circuit are formed in the same process.
The semiconductor circuit device according to claim 4.
前記発振回路は、前記容量成分として作用するMOSトランジスタを備え、
前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜と、前記チャージ・ポンプ回路の複数の容量素子の容量膜とは、同一プロセスにおいて形成されている、
請求項4に記載の半導体回路装置。
The oscillation circuit includes a MOS transistor that acts as the capacitance component,
The gate insulating film of the MOS transistor and the capacitive films of the plurality of capacitive elements of the charge pump circuit are formed in the same process.
The semiconductor circuit device according to claim 4.
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