반도체 메모리 장치 및 반도체 메모리 장치의 내부 전압발생 방법 document_id A220623069496

반도체 메모리 장치는 지속적으로 고집적화, 저소비전력화 및 고속화 되고 있다. 반도체 메모리 장치의 고집적화, 저소비전력화에 따라 반도체 메모리 장치를 구성하는 각종 소자가 소형화되고 있으며, 전원전압이 저전압화 되고 있다. 따라서 소형으로 저전압에서도 고속 동작할 수 있는 반도체 메모리 장치의 설계 기술이 요구되고 있다. 이러한 기술의 하나로 센스 앰프(Sense Amplifier)의 오버드라이빙(Overdriving) 기술이 사용되고 있다. 현재 대부분의 반도체 메모리 장치는 저소비전력을 실현하기 위하여 외부 전원전압을 인가받아 외부 전원전압 보다 낮은 전압 레벨을 갖는 내부 전원전압을 발생하는 내부 전원전압 발생회로를 구비하여 동작에 필요한 전압을 공급하도록 하고 있다. 또한 반도체 메모리 장치는 사용 용도에 따라 서로 다른 레벨을 갖는 복수개의 내부 전원전압을 이용하며, 복수개의 내부 전원전압 중에서 메모리 셀 어레이(cell array)에 공급되는 내부 전원전압을 어레이 전원전압이라 한다. 도1 은 반도체 메모리 장치의 메모리 셀 어레이를 나타내는 도면이다. 반도체 메모리 장치는 로우 어드레스에 의해서 선택된 워드라인(WL)이 활성화되면 그 워드라인(WL)에 연결된 다수개의 메모리 셀(MC)의 데이터가 비트라인 쌍(BL, /BL)으로 전달되고, 복수개의 센스 앰프(SA)는 P 센싱 신호(pse)와 N 센싱 신호(nse)에 응답하여 턴 온 되는 센스 앰프 드라이버(MP, MN)가 센스 앰프 전원라인(RTO)과 센스 앰프 접지라인(/S)로 각각 어레이 전원전압(VINTA)과 어레이 접지전압(VSSA)을 공급하면 활성화되어 비트라인 쌍(BL, /BL)의 전압 차이를 감지 및 증폭하게 된다. 이때 많은 수의 센스 앰프(SA)가 한꺼번에 동작하므로 어레이 전원전압(VINTA)이 전압 레벨이 낮은 기존의 내부 어레이 전원전압인 경우에 짧은 시간에 많은 셀의 데이터를 증폭하기는 어렵다. 즉, 비트라인 센싱 속도가 떨어지므로 고속으로 동작 할 수가 없다. 또한 반도체 메모리 장치는 고집적화를 실현하기 위하여 센스 앰프의 MOS 트랜지스터의 크기를 줄이고 있다. 센스 앰프(SA)의 MOS 트랜지스터의 크기를 줄이는 경우에 전류구동능력이 낮아서 NMOS 트랜지스터(SN1, SN2)보다 상대적으로 크게 형성되는 PMOS 트랜지스터(SP1, SP2)의 크기를 줄이는 것이 효율적이다. 그러나 PMOS 트랜지스터(SP1, SP2)의 크기가 줄어들면 센스 앰프(SA)가 하이 레벨의 데이터를 증폭하기 어렵게 되는 문제가 있다. 상기한 문제점들을 해결하기 위해, 센스 앰프(SA)의 동작 초기에 센스 앰프의 전원라인(RTO)으로 일정 시간 동안 내부 어레이 전원전압(IVCA)보다 높은 외부 어레이 전원전압(VCCA)을 어레이 전원전압(VINTA)로서 공급하여 센스 앰프(SA)를 구동하는 방법이 센스 앰프 오버드라이빙이다. 따라서 센스 앰프(SA)는 센스 앰프 전원라인(RTO)을 통해 오버드라이빙 시에 외부 어레이 전원전압(VCCA)을 어레이 전원전압(VINTA)으로서 인가받고, 센싱 동작 시에 내부 어레이 전원전압을 어레이 전원전압(VINTA)으로서 인가받는다. 도2 는 종래의 반도체 메모리 장치의 내부 전압 발생기를 나타내는 도면이다. 먼저 제어부(100)가 외부로부터 명령(CMD)을 인가받고, 인가된 명령(CMD)에 응답하여 센싱 인에이블 신호(sae)를 어레이 내부 전압 발생부(200)로 출력한다. 센싱 인에이블 신호(sae)는 인가된 명령(CMD)이 액티브 명령(ACT)이면 활성화되고, 프리차지 명령(PRE)이면 비활성화된다. 어레이 내부 전압 발생부(200)는 스탠바이 전원전압 발생부(210), 액티브 전원전압 발생부(220) 및 접지 드라이버(232)를 구비하고, 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 메모리 셀 어레이에서 필요로 하는 어레이 전원전압(VITNA) 및 어레이 접지전압(VSSA)을 메모리 셀 어레이로 공급한다. 어레이 내부 전압 발생부(200)에서 스탠바이 전원전압 발생부(210)와 액티브 전원전압 발생부(220)가 구분되어 구비되는 것은 반도체 메모리 장치의 전력 소모를 줄이기 위해서이다. 스탠바이 전원전압 발생부(210)는 스탠바이 구동 신호 발생부(211)와 스탠바이 드라이버(212)를 구비하며, 반도체 메모리 장치의 액티브 동작 시나 스탠바이 동작 시에 구분 없이 항시 동작한다. 스탠바이 전원전압 발생부(210)가 반도체 메모리 장치의 액티브 동작이나 스탠바이 동작에 상관없이 항시 동작하므로 별도의 활성화 신호를 인가받지 않으며, 어레이 전원전압(VINTA)이 지정된 소정의 레벨을 유지하도록 어레이 전원전압(VINTA)을 어레이 기준전압(VrefA)과 비교하여 스탠바이 어레이 내부 전원전압(SIVCA)을 발생한다. 스탠바이 구동 신호 발생부(211)는 기준 전압 발생부(미도시)에서 인가되는 어레이 기준전압(VrefA)과 어레이 전원전압(VINTA)을 비교하여 스탠바이 제어 신호(scon)를 출력한다. 스탠바이 드라이버(212)는 스탠바이 제어 신호(scon)에 응답하여 외부 전원전압(VCC)의 전압 레벨을 조절하여 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)을 어레이 전원전압(VINTA)로서 발생한다. 그러나 스탠바이 전원전압 발생부(210)는 기본적으로 반도체 메모리 장치가 스탠바이 동작 시에 메모리 셀 어레이로 어레이 전원전압(VINTA)을 공급하기 위하여 구비되므로 구동능력이 작게 설계된다. 액티브 전원전압 발생부(220)는 액티브 구동 신호 발생부(221)와 오버드라이빙 신호 발생부(222) 및 액티브 드라이버(223)를 구비하며, 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에만 동작한다. 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에는 스탠바이 동작 시보다 많은 전류를 필요로 한다. 그러나 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에 구동능력이 약한 스탠바이 전원전압 발생부(210)만으로는 메모리 셀 어레이가 필요로 하는 충분한 전류를 공급하기 어렵다. 따라서 액티브 전원전압 발생부(220)는 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에 메모리 셀 어레이로 충분한 전류를 공급하기 위해 큰 구동능력을 갖는다. 액티브 구동 신호 발생부(221)는 센싱 인에이블 신호(sae)가 활성화되면 지정된 소정 시간 이후 액티브 제어 신호(acon)를 출력한다. 액티브 드라이버(223)는 액티브 제어 신호(acon)에 응답하여 외부 전원전압(VCC)의 전압 레벨을 조절하여 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)을 발생한다. 상기한 바와 같이 액티브 전원전압 발생부(220)는 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에만 동작하며, 스탠바이 전원전압 발생부(210)는 반도체 메모리 장치가 스탠바이 동작 시나 액티브 동작 시에 모두 동작하므로 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 시에 메모리 셀 어레이는 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)과 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)을 모두 인가받는다. 이때 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)과 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)은 동일한 전압 레벨을 갖는다. 오버드라이빙 신호 발생부(222)는 반도체 메모리 장치가 액티브 동작 초기에 지정된 짧은 시간동안 활성화되어 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 지정된 펄스 폭을 갖는 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)를 발생한다. 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)는 센싱 인에이블 신호(sae)가 인가되면 즉시 활성화되며, 도1 의 P 센싱 신호(pse)와 N 센싱 신호(nse)와 액티브 제어 신호(acon)가 활성화됨과 거의 동시에 디스에이블 된다. 액티브 드라이버(223)는 오버 드라이빙 인에이블 신호(ove)에 응답하여 외부 전원전압(VCC)을 그대로 외부 어레이 전원전압(VCCA)으로서 출력하고, 어레이 전원전압(VINTA)은 외부 어레이 전원전압(VCCA) 레벨로 메모리 셀 어레이로 공급된다. 외부 어레이 전원전압(VCCA)은 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)이나 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)보다 높은 전압 레벨을 가진다. 따라서 액티브 전원전압 발생부(220)는 센스 앰프 오버드라이빙 시에 어레이 전원전압(VINTA)을 외부 전원전압(VCCA) 레벨로 공급하여 센스 앰프 전원라인(RTO)을 충전한다. 접지 드라이버(232)는 항상 외부 접지전압(VSS)을 어레이 접지전압(VSSA)으로서 메모리 셀 어레이로 공급한다. 따라서 어레이 접지전압(VSSA)은 외부 접지전압(VSS)과 동일한 전압 레벨을 갖는다. 스탠바이 드라이버(212)와 액티브 드라이버(223)는 풀업 트랜지스터인 PMOS 트랜지스터로 구현될 수 있으며, 접지 드라이버(232)는 풀다운 트랜지스터인 NMOS 트랜지스터로 구현될 수 있다. 도3 는 종래의 반도체 메모리 장치의 오버드라이빙을 포함한 센싱 동작을 나타내는 도면이다. 도1 과 도2 및 도3 을 참조하여 오버드라이빙을 포함한 센스 앰프의 센싱 동작을 설명하면, 스탠바이 전원전압 발생부(210)는 항시 활성화되어 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)을 메모리 셀 어레이로 공급한다. 따라서 프리차지 명령(PRE)이후 액티브 명령(ACT)이 인가될 때까지의 어레이 전원전압(VINTA)은 스탠바이 어레이 전원전압(SIVCA)이다. 외부에서 액티브 명령(ACT)과 로우 어드레스가 인가되면 로우 어드레스에 의해 지정된 워드라인(WL)이 활성화된다. 활성화된 워드라인(WL)에 연결된 복수개의 메모리 셀(MC)은 각각 연결된 비트라인 쌍(BL, /BL)과 전하를 공유(charge sharing)하여 비트라인 쌍의 전압 차를 발생한다. 한편 제어부(100)는 액티브 명령(ACT)에 응답하여 센싱 인에이블 신호(sae)를 활성화한다. 오버드라이빙 신호 발생부(222)는 활성화된 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 지정된 소정 시간 동안 펄스 형태로 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)를 활성화한다. 그리고 액티브 구동 신호 발생부(221)는 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)가 비활성화되는 시점에 액티브 제어 신호(acon)를 활성화된다(각종 실시예에서 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)는 액티브 제어 신호(acon)가 활성화되기 직전, 동시 또는 직후에 비활성화 되도록 설계될 수 있다). 즉 액티브 명령(ACT)이 인가되어 센싱 인에이블 신호(sae)가 활성화되면 오버드라이빙 신호 발생부(222)가 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)를 먼저 활성화하며, 액티브 드라이버(223)는 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)에 응답하여 어레이 전원전압(VINTA)을 외부 어레이 전원전압(VCCA) 레벨로 승압하여 메모리 셀 어레이로 공급한다. 이후 액티브 구동 신호 발생부(221)가 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 액티브 제어 신호(acon) 활성화하면, 액티브 드라이버(223)는 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)을 어레이 전원전압(VINTA)로서 공급하고, 접지 드라이버(232)는 어레이 접지전압(VSSA)을 공급한다. 센스 앰프 드라이버(MP, MN)는 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 활성화되는 P 센싱 신호(pse)와 N 센싱 신호(nse)에 응답하여 어레이 전원전압(VINTA)과 어레이 접지전압(VSSA)을 센스 앰프(SA)로 공급하고, 센스 앰프(SA)는 비트라인 쌍(BL, /BL)에 발생된 전압 차를 감지 증폭한다. 그리고 외부에서 프리차지 명령(PRE)이 인가되면 제어부(100)는 센싱 인에이블 신호(sae)가 비활성화하고, 액티브 구동 신호 발생부(221)는 비활성화 된 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 액티브 제어 신호(acon)를 비활성화 한다. 또한 P 센싱 신호(pae)와 N 센싱 신호(nse)가 비활성화되어 센스 앰프(SA)는 센싱 동작을 종료한다. 따라서 오버드라이빙 동작은 메모리 셀의 센스 앰프(SA)가 빠른 시간 내에 센싱 동작을 시작 할 수 있도록 센싱 동작을 수행하는 초기에 어레이 전원전압(VINTA)을 액티브 어레이 전원전압(AIVCA)보다 높은 전압인 외부 어레이 전원전압(VCCA)으로 공급하는 것을 말하며, 반도체 메모리 장치의 동작 속도를 나타내는 파라미터 중의 하나인 tRCD(RAS-to-CAS delay time) 특성을 향상시킨다. 그러나 도3 에 도시된 바와 같이 어레이 전원전압(VINTA)이 외부 전원전압(VCCA) 레벨로 상승하는 오버드라이빙 시에 어레이 접지전압(VSSA)은 커플링 효과(coupling effect)에 의해 전압 레벨이 상승하다가 디커플링 효과(decoupling effect)에 하강한다. 오버드라이빙 기간(OVP)이 충분히 길다면 어레이 접지전압(VSSA)에 커플링 또는 디커플링 효과에 의해 유기되는 노이즈가 소멸된 상태에서 센스 앰프(SA)가 센싱 동작을 수행할 수 있으나, 상기한 바와 같이 종래의 반도체 메모리 장치에서 오버드라이빙 인에이블 신호(ove)와 P 센싱 신호(pse) 및 N 센싱 신호(nse)는 센싱 인에이블 신호(sae)에 응답하여 활성화되고, 오버드라이빙 기간(OVP) 이후 P 센싱 신호(pse) 및 N 센싱 신호(nse)가 활성화되므로 오버드라이빙 기간(OVP)이 길어지게 되면 센스 앰프(SA)의 센싱 기간(NSP)이 짧아지게 된다. 센싱 기간(NSP)은 센스 앰프(SA)가 비트라인 쌍의 전압 차를 감지 증폭하는 기간으로 임의적으로 조절할 수가 없다. 따라서 종래의 반도체 메모리 장치는 오버드라이빙 기간(OVP)을 충분히 길게 설정하지 못하므로 어레이 접지전압(VSSA)에 노이즈가 포함된 상태에서 센스 앰프(SA)가 센싱 동작을 수행하는 문제가 있었다. 또한 오버드라이빙 기간(OVP)이 짧기 때문에 오버드라이빙 시에 어레이 전원전압(VINTA)의 전압 변동이 커서 안정적인 센싱 동작을 수행하기 어렵게 하는 문제가 있다.