低壓單閾值開關(guān)電荷泵實(shí)現(xiàn)方案

設(shè)計了一款應(yīng)用于亞微米工藝的傳輸只讀存儲器的編程高壓的單閾值開關(guān)電荷泵。隨著亞微米和深亞微米工藝的應(yīng)用，N+/PWLL結(jié)反向擊穿電壓和柵氧擊穿電壓都明顯降低，用于只讀存儲器傳送編程電壓的兩閾值開關(guān)電荷泵應(yīng)用存在著極大的風(fēng)險。

　　引言

　　根據(jù)不同的應(yīng)用，電荷泵的種類不同，內(nèi)部直接產(chǎn)生高壓的電荷泵有：雙極DICKSON電荷泵，MOSDIC-KSON電荷泵，四模式電荷泵設(shè)計，電壓倍增電荷泵，電壓三倍電荷泵。因只讀存儲器芯片的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一次編程，編程后的數(shù)據(jù)能長時間保存，PROM的基本單元在編程時需要過毫安級別以上的電流，所以只讀存儲器編程時一般都采用外加編程高壓，內(nèi)部的電荷泵只是起著開關(guān)的作用，在編程的時候傳遞編程高壓，并提供大電流通路。現(xiàn)在應(yīng)用于只讀存儲器的電荷泵是兩閾值電荷泵。

　　隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，工藝尺寸的不斷減小，基本器件的柵氧厚度，最小溝道長度不斷減小，對應(yīng)的柵氧擊穿電壓，源漏穿通電壓也不斷減小。只讀存儲器的編程高壓的傳遞變得很困難，傳統(tǒng)的應(yīng)用于只讀存儲器中的電荷泵因?yàn)閮?nèi)部高壓結(jié)點(diǎn)峰值要高于編程電壓兩個閾值電壓，導(dǎo)致我們在設(shè)計此類電荷泵時，工藝擊穿電壓的限制成為嚴(yán)重的問題，甚至兩閾值損失的電荷泵無法實(shí)現(xiàn)。為降低應(yīng)用于只讀存儲器電荷泵的內(nèi)部高壓節(jié)點(diǎn)電壓，同時保證電荷泵傳送的編程電壓紋波很小，本文設(shè)計了一款單閾值電荷泵。

　　1 兩閾值電荷泵工作原理和問題

　　1.1 兩閾值電荷泵的工作原理

　　電荷泵工作的兩個理論基礎(chǔ)：電容的兩端電壓不能突變，電荷共享原理。圖1是傳統(tǒng)兩閾值電荷泵的工作原理分析圖。

　　外加編程電壓為VP，初始時CLEAR端為VDD，因N4管柵極為恒定電源電壓VDD，所以初始時結(jié)點(diǎn)3的電壓V3o=VDD-VTH4，N5管導(dǎo)通，編程結(jié)點(diǎn)4接地。電荷泵開始工作，CLK為固定周期的方波信號。

　　第1個周期，當(dāng)結(jié)點(diǎn)5從0到VDD，因?yàn)殡娙軨1兩端電壓不能突變，另結(jié)點(diǎn)2的寄生電容為C5，則結(jié)點(diǎn)2從0變化到：

　　V21=C1×VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2為飽和管接法，結(jié)點(diǎn)3的電壓鉗位到

　　V31=C1×VDD/(C1+CS)-VTH21 (2)

　　當(dāng)結(jié)點(diǎn)5從VDD到0時，結(jié)點(diǎn)2先被瞬間拉到0，然后又被N1管拉到

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH21-VTH11 (3)

　　第i個周期，結(jié)點(diǎn)2和結(jié)點(diǎn)3的電壓V2i，V3i分別為：

　　V2i和V3i不斷升高，當(dāng)V3i高于VP一個閾值電壓時，編程電壓VP被完全傳送到編程結(jié)點(diǎn)。

　　但隨著震蕩周期數(shù)的增加，VTH2i，VTH1i的值增大。當(dāng)電荷泵進(jìn)入穩(wěn)態(tài)且VP能完整傳遞到編程結(jié)點(diǎn)，結(jié)點(diǎn)2，3的電壓峰值達(dá)到最大，用V2PEKAmax，V3PEKAmax分別表示。此時N1，N2，N3管的體效應(yīng)最大，其閾值電壓達(dá)到最大值，用VTH1max，VTH2max，VTH3max分別表示。為了使編程高壓VP完全傳到編程結(jié)點(diǎn)，則

　　V2PEKAmax≥VTH2max+VTH3max+VP (6)

　　隨著工藝尺寸的縮小，工作電壓VDD，柵源擊穿電壓BVGS，源漏擊穿電壓BVDS，源襯底PN結(jié)擊穿電壓BVSB都降低。設(shè)計兩閾值損失電荷泵時將會遇到以下兩個嚴(yán)重甚至無法解決的問題：

　　問題一：因VTH2i，VTH1i變大，如果在第i個周期時

　　C1×VDD/(C1+CS)-VTH2i-VTH1i0 (7)

　　則結(jié)點(diǎn)2抬升的電壓無法維持兩個閾值損失，此時傳到編程結(jié)點(diǎn)的編程電壓VBL

　　問題二：若在電荷泵工作過程中，V2i>BVGS，柵氧擊穿;V2i>BVSB，N+/PWELL的PN結(jié)擊穿。