Brevet FR2614724A1 — publié le 19881104

La présente invention concerne un circuit d'un dis- positif de mémoire à semiconducteurs, et elle porte plus Dar- ticulièrement sur un circuit perfectionné pour produire une tension de polarisation de substrat, pour l'utilisation dans un dispositif de mémoire à semiconducteurs. Un dispositif de mémoire à semiconducteurs récent comporte un générateur de polarisation de substrat incorporé dans la puce, dans le but d'améliorer ses performances et de réduire le nombre de ses broches extérieures. On peut amélio- rer les performances d'un dispositif de mémoire à semiconduc- teurs formé dans un substrat semiconducteur de type P, par l'application au substrat semiconducteur d'une tension néga- tive (habituellement inférieure à -2 volts), ce qui permet de stabiliser la tension de seuil d'un transistor MOS à canal N qui est formé dans le substrat, et permet non seulement d'augmenter la vitesse de fonctionnement, mais également de réduire le courant de fuite, du fait de la diminution de la capacité de jonction. L'amélioration de performances mentionnée ci-des- sus ne peut cependant être obtenue que dans le cas o, malgré la variation de la tension d'alimentation, la tension de po- larisation de substrat est régulée dans une plage désirée. En fait, la tension d'alimentation qui est fournie par le cir- cuit d'alimentation extérieur du dispositif de mémoire à se- miconducteurs, varie de façon instantanée à cause de son fonctionnement instable et de l'introduction de bruit. De ce fait, sous l'effet de la variation de cette tension d'alimen- tation, le générateur de polarisation de substrat a une in- fluence considérable sur le circuit à semiconducteurs qui se trouve sur la puce. En effet, lorsque la tension de polarisa- tion de substrat prend une valeur négative élevée du fait de la variation de la tension d'alimentation, la tension de po- larisation inverse dans des régions de jonctions N+/P dans le substrat augmente et peut ainsi aisément provoquer un claquage en inverse. De plus, lorsque la tension de polarisa- tion de substrat s'élève au-dessus de la tension du niveau de masse, ces régions de jonctions sont polarisées en direct, ce qui fait que le dispositif de mémoire à semiconducteurs, dans son ensemble, fonctionne de façon défectueuse. L'invention a donc pour but de procurer un généra- teur de polarisation de substrat perfectionné qui permette de limiter la tension de polarisation de substrat pour la maintenir dans une plage de niveau de tension désirée. Pour atteindre ce but, le circuit de l'invention comprend un oscillateur destiné à générer une séquence de si- gnaux carrés ayant une fréquence spécifiée, un amplificateur- séparateur connecté à la sortie de l'oscillateur pour trans- former le signal de sortie de l'oscillateur en signaux carrés ayant un niveau correspondant à une tension de source d'ali- mentation, un circuit de pompe de charge destiné à produire une tension de polarisation de substrat à partir du signal de sortie de l'amplificateur-séparateur, et un circuit de limi- tation qui est connecté en parallèle entre la sortie du cir- cuit de pompe de charge et le niveau de masse, et qui limite à une plage spécifiée la tension de polarisation de substrat que produit le circuit de pompe de charge, malgré les varia- tions de la tension de source d'alimentation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui-va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexes dans lesquels: La figure 1 est un schéma de circuit d'un généra- teur de tension de polarisation de substrat conforme à l'in- vention; et Les figures 2A à 2C sont des diagrammes de signaux qui apparaissent dans des parties essentielles du circuit re- présenté sur la figure 1. Un générateur de tension de polarisation de subs- trat conforme à l'invention, représenté sur la figure 1, comprend un oscillateur 10, constitué par un oscillateur en anneau formé par des inverseurs classiques, ou par un circuit de bascule de Schmitt et des portes, pour produire un signal carré, un circuit amplificateurséparateur 20 qui reçoit le signal de sortie de l'oscillateur et qui est destiné à trans- former le signal de sortie carré de l'oscillateur 10 en un signal carré ayant une amplitude comprise entre une tension de source d'alimentation Vcc et une tension de masse Vss, un circuit de pompe de charge 30 comportant un condensateur 1 et des transistors MOS 2 et 3, pour fournir une tension de pola- risation de substrat, à partir du signal de sortie du circuit amplificateur-séparateur, et un circuit de limitation 40, comportant des transistors MOS (4a, 4b,... et 5a...), des- tiné à recevoir le signal de sortie du circuit de pompe de charge et à éliminer par limitation les valeurs de la tension de polarisation de substrat qui se trouvent au-dessus ou au- dessous de la plage admissible, à cause de la variation de la tension de source d'alimentation Vcc. La fréquence du signal de sortie carré de l'oscil- lateur 10 précité est généralement de 3 à 12 MHz, et son rap- port cyclique est habituellement égal à 1. On utilise égale- ment habituellement pour le circuit de pompe de charge 30 un condensateur MOS 1 ayant une capacité élevée, dont une élec- trode est connectée à la sortie du circuit amplificateur- séparateur 20, et dont l'autre électrode est connectée à un noeud 14. Le drain et la grille d'un transistor MOS de type N, 2, sont connectés au noeud 14, et la source de ce transis- tor est connectée à la tension de masse Vss (par exemple zéro volt). Un noeud 15 est connecté à la grille d'un transistor MOS de type N 3, et le circuit drain-source de ce transistor est connecté en série entre les noeuds 14 et 15. Les tran- sistors MOS 4a, 4b,..., dont les grilles et les sources sont respectivement connectées, sont branchés en série entre le noeud 15 et la tension de masse Vss, et les transistors MOS a,..., dont les drains et les grilles sont respectivement connectés, sont également branchés en parallèle avec les transistors 4a, 4b.... On va maintenant décrire en détail le fonctionnement du générateur de tension de polarisation de substrat de la figure 1. Le circuit amplificateur-séparateur 20 transforme le signal de sortie carré de l'oscillateur 10 pour donner le si- gnal carré ayant pour niveaux la tension de source d'alimenta- tion Vcc et la tension de masse Vss. Le condensateur MOS 1 reçoit ce signal carré par une ligne de sortie 12. La borne d'entrée de ce condensateur MOS 1 peut correspondre à la sour- ce et au drain connectés en commun, auquel cas la borne de sortie de ce condensateur MOS 1 est l'électrode de grille et est connectée au noeud 14. En supposant maintenant que le si- gnal carré qui est appliqué à la borne d'entrée du condensa- teur 1 présente un front montant, la tension Vcc charge le condensateur 1 et le transistor 2 est à l'état conducteur. Ensuite, si le front descendant du signal carré est appliaué à l'entrée du condensateur 1 par la ligne 12, la tension qui est appliquée au noeud 14 par l'intermédiaire de la ligne de sortie du condensateur 1 prend un niveau négatif, et le tran- sistor 2 passe à l'état bloqué. A ce moment, si la tension sur le noeud 15, connecté à la grille du transistor 3, devient supérieure à la tension négative du noeud 14, avec un écart égal à la tension de seuil du transistor 3, ce dernier devient conducteur. La charge négative est donc transférée du noeud 14 vers le noeud 15 par l'intermédiaire du transistor 3, et une tension de polarisation de substrat VBB prend un niveau négatif. Cependant, si la tension du noeud 14 devient infé- rieure à celle du noeud 15, avec un écart égal à la tension de seuil, le transistor 3 se bloque. La tension de sortie de polarisation de substrat du noeud 15 prend donc une valeur égale à la tension de polarisation de substrat d'origine, ce qui a pour effet d'appliquer une tension de polarisation de substrat stable à un substrat semiconducteur. En considérant la figure 2A, on note que lorsque la tension de source d'alimeitation Vcc tombe brusquement à une tension inférieure Vcc',- la tension sur le noeud 14 au moment du front descendant 41 descend plus bas, jusqu'à un niveau négatif et le transistor 3 devient alors conducteur. La tension de polarisation de substrat du noeud 15 descend alors plus bas, jusqu'à un niveau négatif, avec une forme semblable à une pointe négative 42 représentée sur la figure 2B. Lorsque la tension de source d'alimentation se stabilise à la tension Vcc, comme représenté sur la figure 2A, la ten- sion de polarisation de substrat se stabilise également à la tension VBB, comme représenté dans une partie de signal 48 de la figure 2B. Ainsi, la tension de polarisation de subs- trat s'élève d'une quantité égale à la chute de la tension de source d'alimentation, et se stabilise à ce niveau. En- suite, lorsque la tension de source d'alimentation retourne au niveau de tension Vcc, la tension de polarisation de substrat s'élève temporairement, comme le montre la pointe 44 de la figure 2B, et retourne à nouveau au niveau de ten- sion VBB. On applique donc une limitation à la tension au noeud 15, représentée sur la figure 2B, pour obtenir une forme semblable à la partie de signal 45 de la figure 2C, au moyen d'une série de transistors 4a, 4b,..., entre le noeud 15 et la tension de masse Vss. Si on suppose que la tension de seuil de ces transistors 4a, 4b,... est égale à VT, et que le nombre de transistors connectés en série est égal à K, la tension de limitation s'élève à une valeur KVT. D'autre part, on utilise les transistors Sa,..., connectés en série entre le noeud 15 et la tension de masse Vss, pour empêcher que le niveau de tension VBB ne s'élève au-dessus d'une plage fixée, comme représenté dans une par- tie de signal 46 de la figure 2C. Par conséquent, bien que la tension de source d'alimentation varie, la tension de po- larisation de substrat est toujours limitée à une plage fixée. Du fait que le générateur de tension de polarisation de substrat conforme à l'invention empêche le claquage en inverse sous l'effet d'un signal de pointe de tension négative 42, et le claquage en direct sous l'effet d'un signal de pointe de tension positive 44, dans une région de jonction d'un dispositif de mémoire à semiconducteurs, ce dernier peut fonctionner de manière stable. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION- Circuit de génération d'une tension de polarisation de substrat, prévu pour être incorporé dans un dispositif de mémoire à semiconducteurs, et pour appliquer cette tension de polarisation de substrat au substrat semiconducteur du dispo- sitif, caractérisé en ce qu'il comprend: un oscillateur (10) destiné à produire une suite de signaux carrés ayant une fréquence spécifiée; un amplificateur-séparateur (20) conçu pour être connecté à la sortie de l'oscillateur (10) et pour transformer le signal de sortie.de l'oscillateur en signaux carrés ayant un niveau correspondant à une tension de source d'alimentation; un circuit de pompe de charge (30) destiné à produire une tension de polarisation de substrat à partir du signal de sortie de l'amplificateur-séparateur (20); et un circuit de limitation (40), conçu pour être connecté en pa- rallèle entre la sortie du circuit de pompe de charge (30) et un niveau de masse, et pour limiter à une plage spécifiée la tension de polarisation de substrat que fournit le circuit de pompe de charge (30), malgré les variations de la tension de source d'alimentation.