一种应用于深亚微米存储器的电荷泵设计

      因只读存储器的基本存储单元只进行一次编程，编程后的数据能长时间保存，且在编程时需要流过mA级以上的电流，所以只读存储器编程时通常采用外加编程高压，内部的电荷泵。在设计此类电荷泵时，击穿电压和体效应的影响成为严重的问题。我们设计了一款电荷泵用以在存储器中传递外部编程高压。这种电荷泵利用高压NMOS器件提高了耐压特性并保证了正常工作，且增加了衬底偏置以缩短电荷泵的稳定时间。

　　电荷泵电路结构和工作原理

　　1 常压MOS管电荷泵

　　图1所示是初步提出的电荷泵电路原理图，其中所有的器件均为常压器件。

图1 常压MOS管构成的电荷泵原理图

　　初始化过程中，clear信号为低电平。此时N5管打开，将节点4清零；由于N4栅极始终接高电平，N4管打开，将节点3清零。

　　初始化结束后电荷泵进入工作状态。Vp为外加编程高压，clear信号保持高电平，clk信号为固定周期的方波信号。N4栅极恒为高电平，因此会将clear信号的高电平传输到节点3，节点3的初始电压为V3.0=VDD-VTH4。节点5为与clk信号周期相同、相位反相的方波信号。以下依据节点5信号的变化具体分析电荷泵的工作原理。

　　第1周期，节点5首先维持半个周期的高电平。根据电荷分享原理，此时节点2的电压由电容C1和Cs的分压决定（其中Cs为节点2的寄生电容），电压可表示为：

V2,1=C*VDD/(C1+CS) (1)

　　因N2管为饱和接法，节点3的电压被钳位，表达式为：

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

　　随后节点5转为低电平，节点2电压逐渐下降。由于没有泄放通路，电压会在节点3一直保持下去，并且由于C1远大于节点2的寄生电容，使得半个高电平周期后节点3的电压足以使N1管打开。N1管的开启使得节点2的电位不会持续下降，而是会被钳位到电压值。

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

　　这个便是第一周期过后节点2上形成的电压值。

　　第二个周期，同样的节点5会经历高电平和低电平各半个周期。这一过程仍然会在节点3和节点2上积累电荷。与第一周期类似的推导可得到以下一组表达式：

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)

　　比较公式（3）和公式（6）可发现，每一周期节点2上增加的电压为：

ΔV=C1VDD/(C1+CS)-VTH2-VTH1 (7)

　　依次类推，第i个周期节点5维持高电平时，节点2和节点3的电压为：

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不会持续升高，当到达一定值时会通过N1、N3被Vp钳位，此时电荷泵进入稳态且Vp能完整传递到编程节点4。但在进入稳态之前，V2和V3会在高电平半周达到大于Vp的电压峰值，随后在低电平半周稳定。

     2 高压MOS电荷泵

　　理论上分析电荷泵可以正常工作。然而一些潜在的问题可能会引发电路的不正常工作。

　　首先，随着工艺尺寸的缩小，电路所用的电源电压VDD，能承受的栅源击穿电压BVGS、源漏穿通电压BVDS，漏PN结击穿电压BVDB都降低。若在电荷泵工作过程中，V2和V3升高到高于其中一种击穿电压，则会使得器件和电路面临烧毁或无法正常工作的危险。

　　其次，考虑体效应的影响器件的阈值电压在不断变化。因V2和V3不断升高，即N1、N2管源极电位不断升高，考虑衬底偏置效应后器件的阈值电压由下式给出：

(11)

(12)

　　则随着震荡周期数的增加，VTH2,i和VTH1,i的值不断增大，在V2和V3达到峰值时体效应影响最为严重。这使得一个周期内V2和V3提升的电压值越来越小，导致电荷泵到达稳定状态所需经历的周期数增加。更严重的情况是，考虑在电荷泵上升且还未达到稳态的过程中，因VTH2,i和VTH1,i变大，如果在某个周期时使得公式（13）成立：

C1VDD/(C1+CS)-VTH2,i-VTH1,i<0 (13)

　　则每个周期内V2抬升的电压无法维持两个阈值损失，导致Vp无法传到编程节点4。

　　基于以上讨论，对初始提出的电路进行改进，改进后如图2所示。图2中将4个需要承受峰值高压的器件用高压管代替普通管，以保证电路在V2、V3的尖峰电平下正常工作。高压器件的选择视各制造工艺而定，仿真所基于的工艺提供了性能优良的高压器件，使成功提升了电路的耐压。对于不同工艺可相应从其提供的器件类型中选择器件，并配合编程电压的设置来完成耐压的增强。将N1、N2的衬底电位单独接出并加上合适的电位以减弱体效应的影响。这样做的代价是需要额外加入产生这个衬底电位的电路。根据需求不同，可以产生固定衬底电位或随源衬电压变化的跟随衬底电位。

图2 高压MOS器件构成电荷泵电路结构图

　　仿真结果

　　高压管实现的电荷泵电路基于TSMC 0.18μm工艺进行仿真验证。设置不同的衬底电位将得出不同的仿真结果。

　　如图3所示为衬底接地的电路仿真波形图。电源电压3.3V，时钟周期106ns，外加编程高压7.5V，电荷泵在500ns后开始工作。从仿真结果可以看出，V2和V3的峰值电压在10V左右，比稳态高出2.5V。对于正常工作在3.3V电源电压下的常压普通管而言，峰值电压必然会带来不可忽视的危害。此外可得出，电荷泵工作11个时钟周期后在1.7μs达到7.5V的稳态值。进入稳态之后，仅存在0.2V的纹波，满足稳定编程要求。

图3 衬底接地电位的仿真波形图

图4 衬底接2V电压的仿真波形图

　　衬底接2V电压的仿真结果如图4所示，其余信号与图3中相同。与图3相比，峰值电压相等，但电荷泵的工作时间明显缩短。数据显示，电荷泵工作9个周期后近似在1.5μs达到7.5V的稳态值。由此证明，体效应对电路影响较大，加合适的衬底电位可明显较弱其不良影响。