涉及与外部泵电容器和其它电路系统耦合的电荷泵的系统和方法

摘要

公开了涉及与外部泵电容器和其它电路系统耦合的电荷泵的系统和方法。在一个实施例中，一种示范性系统可以包括：存储器裸片，其含有存储器阵列和电荷泵电路系统，所述电荷泵电路系统经配置以产生供应到所述存储器阵列的泵电压；以及一或多个泵电容器，其位于所述裸片外部且经配置以保持用于产生所述泵电压的所存储电荷。一些实施例可以包含也位于裸片外的槽路电容器，以调节从所述泵电容器提供的所述电荷。根据另外的实施例，所述电荷泵电路系统可以包含可例如用于调整峰值电流的最大电流控制电路系统和/或开关电阻控制电路系统中的一或两者。

说明书

技术领域

本公开大体上涉及半导体存储器，更具体地，涉及与利用外部泵电容器和其它相关联的电路系统实现的电荷泵相关联的系统和方法。

背景技术

集成电路装置遍历广泛范围的电子装置，包含存储器装置，其通常被简称为存储器。存储器装置通常提供为计算机或其它电子装置中的内部半导体集成电路装置。存在许多不同类型的存储器，包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存取存储器(DRAM)、同步动态随机存取存储器(SDRAM)和快闪存储器。

集成电路通常需要比外部电压源提供的电势更高电势的电源电压。例如动态随机存取存储器(DRAM)的存储器电路需要较高的内部电压对存储器字线等进行预充电。在依赖于有限外部电源(例如电池)的系统中使用的集成电路必须使用转换电路系统产生附加电源电压。电荷泵在本领域中被称为片上电压发生器，其能够提供比最正外部电源更正的电压或比最负外部电源更负的电压。某些电荷泵，例如充当基于电容器的DC-DC转换器的那些电荷泵，通常用于存储器技术(包含NAND、NOR和其它存储器技术)中使用的升压DC-DC转换。

此外，新一代集成电路，例如在比如便携式计算机和电话的人口稠密装置中使用的集成电路，需要低电压操作和降低的功耗。然而，电荷泵的能效经常受到例如寄生电容等问题的困扰，这些寄生电容由于在硅或金属中(即，在裸片上)实现的电容器而引起。例如，在硅上实现的电容器通常是衬底上的NMOS/PMOS装置和/或金属电容器，其对衬底或其它节点具有较大的寄生电容。这种寄生电容会在泵浦操作期间导致大量能量损失。

所公开的实施例提供了关于上述缺陷的改进的技术方案和/或以其它方式弥补或克服现有半导体存储器的上述和其它不足。

发明内容

在一个方面，本申请涉及一种系统，其包括：存储器裸片，其包括：(i)一或多个存储器阵列；以及(ii)包含电荷泵开关的电荷泵电路系统，所述电荷泵电路系统经配置以提供泵电压，所述泵电压供应到与所述一或多个存储器阵列相关联的一或多个信号线驱动器，所述泵电压用于对所述一或多个存储器阵列的存储器单元进行充电；以及一或多个泵电容器，其位于所述裸片外部，且经配置以保持用于产生所述泵电压的所存储电荷，其中所述一或多个泵电容器经由所述裸片的接合焊盘电连接到所述电荷泵电路系统；其中所述电荷泵开关经布置以控制所述所存储电荷从所述泵电容器供应到所述电荷泵电路系统以产生所述泵电压。

在另一方面，本申请涉及一种操作存储器系统的方法，所述方法包括：操作位于存储器封装的第一区域中的电荷泵电路系统，以产生用于对一或多个存储器阵列的存储器单元进行充电的泵电压，其中所述第一区域与所述一或多个存储器阵列在裸片上；经由位于所述裸片上的所述电荷泵电路系统的开关来激活包含用于产生所述泵电压的电荷的一或多个泵电容器，所述一或多个泵电容器位于所述裸片外部的所述存储器封装的第二区域中；经由将所述第二区域中的所述一或多个泵电容器耦合到所述第一区域中的所述电荷泵电路系统的布线将所述电荷从所述一或多个泵电容器传送到所述电荷泵电路系统；以及通过所述电荷泵电路系统使用从所述一或多个泵电容器传送的所述电荷产生所述泵电压；其中产生所述泵电压而没有由于所述一或多个泵电容器与衬底材料或所述裸片的一或多个节点之间的寄生电容而引起的损耗。

附图说明

通过如附图所示的实施例的以下描述，本公开的前述和其它目的、特征和优点将变得显而易见，附图中的参考标号贯穿各个附图表示相同的部分。附图未必是按比例的，实际上重点在于说明本公开的原理。

图1示出根据本公开的一些实施例的存储器装置的简化框图。

图2示出根据本公开的一些实施例的示范性存储器装置的一部分。

图3示出根据本公开的一些实施例的集中于电荷泵组件上的示范性存储器系统的框图。

图4示出根据本公开的一些实施例的示范性存储器系统的框图，包含电荷泵架构和组件的额外细节。

图5示出根据本公开的一些实施例的存储器系统的示范性存储器封装的简化框图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，所述附图形成本发明的一部分，且其中借助于说明示出特定实施例。在图式中，在若干视图中相同的参考标号始终描述大体上类似的组件。在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以做出结构、逻辑和电性改变。因此，不应按限制性意义来看待以下详细描述。

例如，本文所使用的术语“半导体”可以指一层材料、晶片或衬底，并包含任何基底半导体结构。“半导体”应被理解为包含蓝宝石上硅(SOS)技术、绝缘体上硅(SOI)技术、薄膜晶体管(TFT)技术、掺杂和未掺杂半导体、由基底半导体结构支撑的外延硅层、以及本领域的技术人员熟知的其它半导体结构。此外，当在以下描述中提及半导体时，可能已利用先前处理步骤在基底半导体结构中形成区/接面，且术语半导体可包含含有此类区/接面的下伏层。

除非另外从上下文显而易见，否则如本文中所使用的术语“导电(conductive)”以及其各种相关形式(例如conduct、conductively、conducting、conduction、conductivity等)是指电导电。类似地，除非另外根据上下文显而易见，否则如本文中所使用的术语连接(connecting)以及其各种相关形式(例如connect、connected、connection等)是指电连接。

公开了涉及位于裸片上并耦合到外部泵电容器的电荷泵电路系统的存储器操作的系统和方法。根据本文中的实施例，可以在将电荷泵开关保持在裸片上的同时在芯片外或裸片外实现泵电容器，以最小化电荷泵操作期间的电流/能量损失。在一个实施方案中，例如，一种系统可以包括：存储器裸片，其含有存储器阵列和电荷泵电路系统，所述电荷泵电路系统经配置以提供供应到存储器阵列的泵电压；以及一或多个泵电容器，其位于裸片外部且经配置以保持用于产生泵电压的所存储电荷。一些实施例还可包含也位于裸片外的槽路电容器，以调整从泵电容器提供的电荷。根据另外的实施例，本文中的电荷泵电路系统可以包含例如用于调整峰值电流的最大电流控制电路系统和/或开关电阻控制电路系统中的一或两者。

如以下更详细地阐述的，位于裸片外或芯片外的外部泵电容器可以被裸片或芯片上的电荷泵电路系统利用，以提供高效的DC-DC转换。下文描述的实例实施例涉及单级正电荷泵，其涉及一或多个经由接合焊盘耦合到裸片或芯片的外部泵电容器。尽管参考这一种示范性存储器技术讨论了本文中的实施例，但是应理解，本文中公开的概念也可以应用于其它形式的半导体存储器和电荷泵技术。此外，在一些实施例中，电荷泵输出可以在封装或系统中的不同裸片之间共享。

图1示出根据本公开的一些实施例的存储器装置100的简化框图。存储器装置100可以包含具有经配置以存储数据的多个存储器单元的存储器阵列160。可以通过使用各种信号线，例如全局字线(GWL)、本地字线(LWL)和位线(BL)，在阵列中存取存储器单元。存储器单元可以是非易失性存储器单元，例如NAND或NOR快闪单元、相变存储器单元，或者通常可以是任何类型的存储器单元。存储器单元可以是经配置以存储一位数据的数据的单级单元。存储器单元也可以是经配置以存储多于一位数据的数据的多级单元。

可以将命令、地址信息和写入数据作为通过输入/输出(I/O)总线128传输的顺序I/O集合提供给存储器装置100。类似地，可以通过I/O总线128从存储器装置100提供读取数据。可以通过数据选通总线130来传输数据选通信号DQS。可以使用DQS信号提供用于将数据传送到存储器或从存储器传送数据的定时信息。I/O总线128连接到I/O控制电路120，所述I/O控制电路在I/O总线128与内部数据总线122、内部地址总线124和内部命令总线126之间路由数据信号、地址信息信号和其它信号。地址寄存器125可以由I/O控制电路120提供地址信息以被临时存储。I/O控制电路120通过状态寄存器总线132耦合到状态寄存器134。可以由I/O控制电路120响应于提供给存储器装置100的读取状态命令来提供由状态寄存器134存储的状态位。状态位可以具有相应的值以指示存储器及其操作的各个方面的状态条件。

存储器装置100还可包含控制逻辑110，所述控制逻辑接收多个控制信号109或通过命令总线126来控制存储器装置100的操作。命令寄存器136耦合到内部命令总线126以存储由I/O控制电路120接收的信息并将信息提供给控制逻辑110。控制逻辑110可以进一步通过状态寄存器总线132存取状态寄存器134，例如，以随着状态条件的改变而更新状态位。控制逻辑110可以进一步耦合到就绪/忙碌电路(未示出)以控制可以由存储器装置100提供的就绪/忙碌信号R/B#的值(例如，逻辑值)以指示存储器是已准备好进行操作还是忙碌。控制逻辑110可经配置以向存储器装置100的各种电路提供内部控制信号。例如，响应于接收到存储器存取命令(例如，读取、写入、编程)，控制逻辑110可以提供内部控制信号，以控制各种存储器存取电路执行存储器存取操作。各种存储器存取电路在存储器存取操作期间使用，并且通常可以包含电路，例如行和列解码器、电荷泵电路、信号线驱动器、数据和高速缓存寄存器、I/O电路等。

地址寄存器125将块行地址信号提供给行解码器140，并将列地址信号提供给列解码器150。行解码器140和列解码器150可以用于选择用于例如读取、编程和擦除操作等存储器操作的存储器单元块。行解码器140和/或列解码器150可以包含一或多个信号线驱动器，所述信号线驱动器经配置以向存储器阵列160中的一或多个信号线提供偏置信号。信号线驱动器可以用由电荷泵电路系统154提供的泵浦电压驱动信号线。电荷泵电路系统154可以提供在存储器装置100的操作期间(例如在存储器存取操作期间)使用的不同电压。电荷泵电路系统154提供的电压可以包含大于提供给存储器装置100的电源电压的电压、小于提供给存储器装置100的参考电压(例如，地电压)的电压，以及其它电压。下文结合图3和4阐述根据所公开技术的电荷泵电路系统154的各种实施方案。

图2示出根据本公开的一些实施例的示范性存储器装置100的一部分。具体地，图2示出例如全局字线(GWL)驱动器的信号线驱动器185、例如全局字线(GWL)的全局信号线187、例如本地字线解码器的解码器188以及例如本地字线(LWL)的本地信号线190的布置。例如，包含在图1的电荷泵电路系统154中的电荷泵电路183可经耦合以向全局信号线驱动器185提供泵电压，例如，全局信号线电压，例如全局字线电压(V

对于编程操作，在已将行地址信号施加到地址总线124之后，I/O控制电路120将写入数据信号路由到高速缓存寄存器170。将写入数据信号以连续的集合存储在高速缓存寄存器170中，每个集合具有与I/O总线128的宽度相对应的大小。高速缓存寄存器170依序存储写入数据信号的集合以用于阵列160中的整个存储器单元行或页。所有所存储写入数据信号然后用于对通过地址总线124耦合的块行地址所选的阵列160中的存储器单元行或页进行编程。以类似方式，在读取操作期间，将来自由通过地址总线124耦合的块行地址所选的存储器单元行或块的数据信号存储于数据寄存器180中。数据寄存器180和高速缓存寄存器170可以充当用于一些页面操作的单个寄存器。例如，也可以将存储在数据寄存器180中的数据存储在高速缓存寄存器170中。随后通过I/O控制电路120将大小对应于I/O总线128的宽度的数据信号的集合从数据寄存器180和/或高速缓存寄存器170依序传送到I/O总线128。

图3示出根据本公开的一些实施例的示范性存储器系统的框图。参考图3，示范性存储器系统300可以包括含有一或多个存储器阵列315的存储器裸片310或芯片、包含电荷泵调节电路系统321和开关电路系统336的电荷泵电路系统320、位于裸片310外部的一或多个泵电容器325，以及可选的一或多个槽路或纹波电容器330。应注意，示范性存储器系统300可以利用正电压电荷泵电路系统或负电压电荷泵电路系统。电荷泵电路系统320可经配置以产生泵电压332，所述泵电压作为用于对存储器阵列315的存储器单元进行充电的输出而提供。一或多个泵电容器325Cpump位于裸片310的外部并且经配置以保持用于产生泵电压332的所存储电荷。在一些实施例中，与在裸片上制造的电容器或金属电容器相比，可以使用寄生电容很小的技术例如经由陶瓷电容器来实现一或多个泵电容器325。此外，一或多个泵电容器325可以通过裸片310的接合焊盘334电耦合到电荷泵电路系统。在裸片310内，可以由包含在裸片310上制造的开关的开关电路系统336控制从泵电容器325提供到电荷泵电路系统的电荷，以使泵操作期间的电流/能量损失最小。

根据第一实施例，与泵电容器325相关联的第二节点338可以例如通过裸片上的布线345耦合到开关电路系统336，而不包含任何外部槽路电容器330。

根据第二实施例，可以提供也位于裸片外的至少一个槽路电容器330以调整从泵电容器325提供的电荷。在一些实施方案中，例如，可以包含槽路电容器330以根据使用电荷泵的应用的要求来减小泵的波纹电压和/或调节由泵电容器提供的电荷的其它输出电压变化。纹波电压的这种减小有助于减少由于来自泵的电荷注入和/或调节器特性而引起的不希望的影响。在此类第二实施例中，一或多个槽路电容器330也耦合在Vpump 332(经由裸片的接合焊盘342)与接地节点之间。此外，可以使用一或多种电容器技术(例如陶瓷电容器)在芯片外制造槽路电容器330，所述电容器技术不会在电容器与衬底或节点之间经受大的寄生电容问题。这避免了负面的寄生电容效应，例如在泵操作期间否则会发生的能量损失。

此外，根据一些实施例，电荷泵电路系统(即，图3中的320以及图4中的电荷泵电路系统以及本文中其它地方描述的电荷泵电路系统)经配置以同时产生多个泵电压，所述多个泵电压用于对一或多个存储器阵列的存储器单元进行充电。此外，在一些方面，多个泵电压可以由正和/或负泵电压组成。

图4示出根据本公开的一些实施例的具有正电荷泵的另一示范性存储器系统的框图。参考图4，所示的示范性存储器系统400可以包括含有一或多个存储器阵列415的存储器裸片410或芯片、包含第一泵级422的电荷泵电路系统420、可选地一或多个额外的泵级421，以及位于裸片410外部的一或多个泵电容器425。图4的实例存储器系统400还可以包含一或多个可选组件，包含位于裸片410外部的一或多个槽路或波纹电容器430、最大电流控制电路系统435，和/或调节和峰值电流控制电路系统440。在一些可选实施例中，可以包含额外泵级421，每个泵级通过接合焊盘从泵电容器425提供电荷。实例存储器系统400还可以包含：在裸片上的第一开关452，其耦合在泵电容器425与第一泵级422的电路系统之间；和/或第二开关454，其耦合到最大电流控制电路系统435，并且还可以跨裸片上的电荷泵电路系统内的一对节点456/458耦合，来自泵电容器425的电荷被提供到所述一对节点。

与图3的实例实施例一样，电荷泵电路系统420可经配置以产生泵电压432，所述泵电压作为用于对存储器阵列415的存储器单元进行充电的输出而提供。类似地，一或多个泵电容器425Cpump位于裸片410的外部并且经配置以保持用于产生泵电压432的所存储电荷。在一些实施例中，与在裸片上制造的电容器(例如，硅电容器等)或金属电容器相比，可以使用寄生电容很小的技术(例如经由陶瓷电容器)来实现一或多个泵电容器425。此外，一或多个泵电容器425可以通过裸片410的接合焊盘电耦合到电荷泵电路系统。在裸片410上，可以由包含在裸片410上制造的开关的开关电路系统控制从泵电容器425提供到电荷泵电路系统420的电荷，以使泵操作期间的电流/能量损失最小。

转向调节和峰值电流控制电路系统440，在图4所示的一个实例实施例中，一些调节电路系统(例如446)示为在脉冲控制电路系统442的外部，但在不脱离本文中的创新的情况下可以以各种方式来布置各个电路系统。根据各种实施例，脉冲控制电路系统442可以包含脉冲频率调制电路系统、脉冲高度控制电路系统和/或利用其它调制技术的电路系统。在所示的示范性反馈回路布置中，可以将泵电压432作为比较器446的第一输入(例如，经由乘法器448)提供，比较器的第二输入为参考电压Vref。Vref可以在泵电路系统本身内部产生，也可以在本地产生，或其可以在裸片外产生。比较器446的输出和时钟信号444可以作为脉冲控制电路系统442的输入提供，所述脉冲控制电路系统可经配置以向第一开关452提供第一控制信号441和/或向第二开关454提供第二控制信号443。这里，在给定这种电路布置的情况下，当建立期望的电流或电流限制(例如峰值电流限制)时，调节和峰值电流控制电路系统440可以校准或设置电路条件(例如电阻)以提供第一控制信号441和第二控制信号443中的一或两者，以例如通过设置泵开关强度来调整从泵电容器425和/或Vdd电源提供的电荷量，从而调整电荷泵的输入电流。可以通过控制存在于节点456/458上和/或通过所述节点的电荷，例如通过控制位于452和/或454处的开关或其它开关/控制电路系统，来实现泵输入电流的这种调整、控制或限制。

转向最大电流控制电路系统435，在图4所示的一个实例实施例中，此类电路系统可以位于裸片上并且经由开关454耦合到节点(也在裸片上)，例如节点456/458，在所述节点处提供由泵电容器425提供到裸片410上的电荷。最大电流控制电路可以经由接合焊盘耦合到电源电压Vdd。在一些实施例中，例如那些包含上述调节和峰值电流控制电路系统440的实施例，在454处的开关或开关/控制电路系统可以耦合到从调节和峰值电流控制电路系统440输出的第二控制信号443。在其它实施例中，系统可以在454处包含与最大电流控制电路系统435相关联的开关和/或开关/控制电路系统，例如，其用于控制在节点456/458处存在的电荷和/或电流，并由此进行设置、调整或限制提供给电荷泵电路系统420或从所述电荷泵电路系统提供的电流，例如峰值电流。

因此，通过包含最大电流控制电路系统435和/或调节和峰值电流控制电路系统440中的一或两者，可以调整、微调或限制提供给电荷泵电路系统420或从所述电荷泵电路系统提供的电流，例如峰值电流。在一些实施例中，还可以基于存储器系统的要求来调谐(即，调整、微调或限制)此类电流。这里，例如，可用作调谐电流的因素的存储器系统的要求包含以下中的一或多者：电源单元的电流容量，和/或例如存储器控制器和由电源单元供电的其它存储器/非存储器芯片等其它组件的电流要求。

应注意，峰值电流控制电路系统440和最大电流控制电路系统435中的一或两者可以在结构上和/或逻辑上位于电荷泵电路系统420的内部或外部。

图5示出根据本公开的一些实施例的存储器系统的示范性存储器封装500的简化框图。参考图5，公开了一种实例存储器封装500，其中存储器封装500包含电耦合到一或多个外部电容器510的一或多个存储器芯片或裸片410，所述外部电容器可以是泵电容器425和/或槽路电容器430。此外，在一些多裸片封装/系统实施例中，一或多个裸片可以实现如本文所示的电荷泵，而其余裸片可以直接使用由其它裸片产生的电压。这减少了系统级需要包含的电容器数量。

此外，以上公开的主题可以以多种不同的形式来实施，并且因此，所涵盖的或所要求保护的主题旨在被解释为不限于本文阐述的任何实例实施例；提供的实例实施例仅仅是说明性的。同样，旨在为要求保护或所涵盖的主题提供合理宽泛的范围。除其它之外，例如，主题可体现为方法、装置、组件或系统。因此，实施例可以例如采用硬件、软件、固件或其任何组合(除软件本身之外)的形式。因此，不希望在限制性意义上看待以下详细描述。

在整个说明书和权利要求书中，在明确陈述的含义之外，术语可以具有背景中提出或暗示的细微差别含义。同样，如本文所使用的短语“在一个实施例中”不一定指代相同实施例，并且如本文所使用的短语“在另一实施例中”不一定指代不同实施例。例如，所要求保护的主题旨在包含实例实施例的全部或部分组合。

一般而言，术语可根据上下文中的使用来至少部分地理解。例如，如本文所使用的术语，例如“和”、“或”或“和/或”可包含多种含义，所述含义可至少部分取决于使用这类术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则旨在意指A、B和C(此处是在包含性意义上使用)以及A、B或C(此处是在排他性意义上使用)。另外，至少部分取决于上下文，本文所用的术语“一或多个”可用于以单数意义描述任何特征、结构或特性，或可用于以复数意义描述特征、结构或特性的组合。类似地，至少部分取决于上下文，例如“一”、“一个”或“所述”的术语也可以理解为传达单数使用或传达复数使用。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，并且，相反地，可以至少部分地取决于上下文允许存在不一定明确描述的其它因素。

所属领域的技术人员将认识到，本公开的方法和装置可以许多方式实现，且因此不受限于前文的示范性实施例和实例。换句话说，方面/元素可以由单个或多个组件以各种组合和/或子组合来执行，并且各个方面可以分布在组件和/或子组件之间。就此来说，本文描述的不同实施例的任何数量的特征可以被组合成单个或多个实施例，且具有少于或多于本文描述的全部特征的替代性实施例是可能的。

尽管出于本公开的目的已经描述了各种实施例，但是此类实施例不应被认为将本公开的教导限于那些实施例。可以对上述元素和特征进行各种改变和修改以获得保留在本公开描述的系统和过程的范围内的结果。