應用于深亞微米存儲器的電荷泵設計 - 全文

　　因只讀存儲器的基本存儲單元只進行一次編程，編程后的數據能長時間保存，且在編程時需要流過mA級以上的電流，所以只讀存儲器編程時通常采用外加編程高壓，內部的電荷泵。在設計此類電荷泵時，擊穿電壓和體效應的影響成為嚴重的問題。我們設計了一款電荷泵用以在存儲器中傳遞外部編程高壓。這種電荷泵利用高壓NMOS器件提高了耐壓特性并保證了正常工作，且增加了襯底偏置以縮短電荷泵的穩定時間。

　　電荷泵電路結構和工作原理

　　1 常壓MOS管電荷泵

　　圖1所示是初步提出的電荷泵電路原理圖，其中所有的器件均為常壓器件。

　　圖1 常壓MOS管構成的電荷泵原理圖

　　初始化過程中，clear信號為低電平。此時N5管打開，將節點4清零;由于N4柵極始終接高電平，N4管打開，將節點3清零。

　　初始化結束后電荷泵進入工作狀態。Vp為外加編程高壓，clear信號保持高電平，clk信號為固定周期的方波信號。N4柵極恒為高電平，因此會將clear信號的高電平傳輸到節點3，節點3的初始電壓為V3.0=VDD-VTH4。節點5為與clk信號周期相同、相位反相的方波信號。以下依據節點5信號的變化具體分析電荷泵的工作原理。

　　第1周期，節點5首先維持半個周期的高電平。根據電荷分享原理，此時節點2的電壓由電容C1和Cs的分壓決定(其中Cs為節點2的寄生電容)，電壓可表示為：

　　V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2管為飽和接法，節點3的電壓被鉗位，表達式為：

　　V3,1=V2,1-VTH2=C1VDD/(C1+CS)-VTH2 (2)

　　隨后節點5轉為低電平，節點2電壓逐漸下降。由于沒有泄放通路，電壓會在節點3一直保持下去，并且由于C1遠大于節點2的寄生電容，使得半個高電平周期后節點3的電壓足以使N1管打開。N1管的開啟使得節點2的電位不會持續下降，而是會被鉗位到電壓值。

　　V’2,1=V2,1-VTH2-VTH1=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (3)

　　這個便是第一周期過后節點2上形成的電壓值。

　　第二個周期，同樣的節點5會經歷高電平和低電平各半個周期。這一過程仍然會在節點3和節點2上積累電荷。與第一周期類似的推導可得到以下一組表達式：

　　V2,2=V’2,1+C1VDD/(C1+CS) (4)

　　V3,2=V2,2-VTH2 (5)

　　V’2,2=V3,2-VTH2=V2,2-VTH2-VTH1=V’2,1+C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (6)

　　比較公式(3)和公式(6)可發現，每一周期節點2上增加的電壓為：

　　ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)

　　依次類推，第i個周期節點5維持高電平時，節點2和節點3的電壓為：

　　V2,i=C1VDD/(C1+CS)+(i+1)[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (8)

　　V3,i=C1VDD/(C1+CS)-VTH2+(i-1)[(C1+CS)-VTH2-VTH1] (9)

　　V’2,i=i[C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1] (10)

　　V3不會持續升高，當到達一定值時會通過N1、N3被Vp鉗位，此時電荷泵進入穩態且Vp能完整傳遞到編程節點4。但在進入穩態之前，V2和V3會在高電平半周達到大于Vp的電壓峰值，隨后在低電平半周穩定。

　　2 高壓MOS電荷泵

　　理論上分析電荷泵可以正常工作。然而一些潛在的問題可能會引發電路的不正常工作。

　　首先，隨著工藝尺寸的縮小，電路所用的電源電壓VDD，能承受的柵源擊穿電壓BVGS、源漏穿通電壓BVDS，漏PN結擊穿電壓BVDB都降低。若在電荷泵工作過程中，V2和V3升高到高于其中一種擊穿電壓，則會使得器件和電路面臨燒毀或無法正常工作的危險。

　　其次，考慮體效應的影響器件的閾值電壓在不斷變化。因V2和V3不斷升高，即N1、N2管源極電位不斷升高，考慮襯底偏置效應后器件的閾值電壓由下式給出：

(11)

(12)

　　則隨著震蕩周期數的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不斷增大，在V2和V3達到峰值時體效應影響最為嚴重。這使得一個周期內V2和V3提升的電壓值越來越小，導致電荷泵到達穩定狀態所需經歷的周期數增加。更嚴重的情況是，考慮在電荷泵上升且還未達到穩態的過程中，因VTH2,i和VTH1,i變大，如果在某個周期時使得公式(13)成立：

　　C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i<0 (13)

　　則每個周期內V2抬升的電壓無法維持兩個閾值損失，導致Vp無法傳到編程節點4。

　　基于以上討論，對初始提出的電路進行改進，改進后如圖2所示。圖2中將4個需要承受峰值高壓的器件用高壓管代替普通管，以保證電路在V2、V3的尖峰電平下正常工作。高壓器件的選擇視各制造工藝而定，仿真所基于的工藝提供了性能優良的高壓器件，使成功提升了電路的耐壓。對于不同工藝可相應從其提供的器件類型中選擇器件，并配合編程電壓的設置來完成耐壓的增強。將N1、N2的襯底電位單獨接出并加上合適的電位以減弱體效應的影響。這樣做的代價是需要額外加入產生這個襯底電位的電路。根據需求不同，可以產生固定襯底電位或隨源襯電壓變化的跟隨襯底電位。

　　圖2 高壓MOS器件構成電荷泵電路結構圖

　　仿真結果

　　高壓管實現的電荷泵電路基于TSMC 0.18μm工藝進行仿真驗證。設置不同的襯底電位將得出不同的仿真結果。

　　如圖3所示為襯底接地的電路仿真波形圖。電源電壓3.3V，時鐘周期106ns，外加編程高壓7.5V，電荷泵在500ns后開始工作。從仿真結果可以看出，V2和V3的峰值電壓在10V左右，比穩態高出2.5V。對于正常工作在3.3V電源電壓下的常壓普通管而言，峰值電壓必然會帶來不可忽視的危害。此外可得出，電荷泵工作11個時鐘周期后在1.7μs達到7.5V的穩態值。進入穩態之后，僅存在0.2V的紋波，滿足穩定編程要求。