专利名称：电荷泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电荷泵。
背景技术：
许多方案使都用晶体管的栅极电容在电荷泵中泵送(pump)电荷。该晶体管可以是N-型或P-型金属氧化物硅，即，分别是NMOS或PM0S。然而，单栅极晶体管的栅极电容相对较小。为了增加泵电容，需要大量栅极和由此产生的大晶格。另外，使用栅极电容的效率较低，这是因为当晶体管关断时，对于电荷泵，没有栅极电容，从而没有电容。例如，当施加在晶体管栅极的电压低于晶体管的阈值电压时，晶体管关断，导致没有电容。换言之，只有当栅极电压高于阈值电压时，才存在栅极电容，并且泵才起作用。另外，在低温下，阈值电压较大，从而进一步降低了效率和泵效能。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种电荷泵电路，包括第一节点；第二节点；以及至少一个电容级，连接在所述第一节点和所述第二节点之间，其中，如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级中的电容级串联连接；所述至少一个电容级中的电容级包括电容器件以及与所述电容器件并联连接的电压限制器；所述电压限制器被配置为限制所述电容器件两端的电压降；以及所述电容器件和所述电压限制器被配置为，使得流经具有所述电压限制器的第一支路的第一电流高于流经具有所述电容器件的第二支路的第二电流。在该电荷泵中，所述电容器件是金属-绝缘体-金属电容器。在该电荷泵中，如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级中的每个电容级的电容都具有相同的预定值。在该电荷泵中，基于所述第一节点和所述第二节点之间的至少一个泵电压值、所述至少一个电容级中的每个电容级的每个电容器件的电容、以及所述每个电容器件两端的最大电压降来改变所述至少一个电容级中的电容级的数量。在该电荷泵中，基于所述第二节点的电容、所述第一节点和所述第二节点之间的泵电压值、以及预定的电压传输比来改变所述至少一个电容级的电容。在该电荷泵中，配置所述电容器件和所述电压限制器，使得所述第一电流比所述第二电流大至少五倍。在该电荷泵中，所述电荷泵电路包括至少两个电容级；所述至少两个电容级中的电容级的所述电压限制器是电阻器；以及所述至少两个电容级的所述电阻器被配置为分压器。根据本发明的另一方面，提供了一种用于泵电路中的方法，所述泵电路在第一节点和第二节点之间具有的至少一个电容级，所述方法包括基于所述第一节点和所述第二节点之间的预定泵电压值以及所述至少一个电容级中的电容级的电容器件两端的最大电压降来确定所述至少一个电容级中的电容级的数量；以及对于所述至少一个电容级中的每个电容级，使用与所述每个电容级的电容器件并联连接的电压限制器，使得每个电容级的所述电容器件两端的电压将不超过所述最大电压降，并且使流经具有所述电压限制器的第一支路的第一电流大于流经具有所述电容器件的第二支路的第二电流。在该方法中，进一步包括确定所述第二节点处的电容；以及调节所述电容级的数量，从而得到预定电压传输比；所述电压传输比基于所述第二节点处的电容和所述至少一个电容级的电容获得。在该方法中，每个至少一个电容级的每个电容器件是金属-绝缘体-金属电容器。
在该方法中，进一步包括使用制造动态随机存储器单元的存储单元的方法来制造金属-绝缘体-金属电容器。在该方法中，流经所述第一支路的所述第一电流比流经所述第二支路的所述第二电流大至少五倍。在该方法中，如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级的多个限制器的多个电阻器被配置为在所述第一节点和所述第二节点之间用作分压器。在该方法中，进一步基于所述第二节点处的电容和电压传输比来确定所述至少一个电容级的电容级的数量，所述电压传输比基于所述第二节点处的所述电容和所述至少一个电容级的电容获得。在该方法中，所述至少一个电容级中的每个电容级的电容具有相同的预定值。在该方法中，当所述第一节点在第一电压值和第二电压值之间转换时，所述第二节点在第三电压值和第四电压值之间转换；所述第三电压值基于所述第二节点的初始电压值获得；所述第四电压值基于所述第二节点的初始电压值和所述泵电压值获得。根据本发明的又一方面，提供了一种电荷泵电路包括第一节点；第二节点；以及多个电容级，串联连接在所述第一节点和所述第二节点之间，其中，所述多个电容级中的每个电容级包括与电容器并联连接的电阻器，并且被配置为将基于所述第一节点和所述第二节点之间的泵电压以及所述多个电容级中的电容级的数量泵送泵级电压。在该电荷泵电路中，所述第二节点被配置为响应于所述第一节点在第三电压值和第四电压值之间的转换，在第一电压值和第二电压值之间进行转换。在该电荷泵电路中，所述泵电路的每个电容器都是金属-绝缘体-金属电容器。在该电荷泵电路中，所述多个电容级的每个电阻器都具有相同的电阻值，并且所述多个电容级的每个电容器都具有相同的电容值。
本发明的一个或多个实施例的细节在下面的附图和说明书中进行描述。其他特征和优点将由说明书、附图和权利要求给出。图I是根据本发明的一些实施例的泵电路的示意图；图2是根据一些实施例示出选择电容器和电阻器的方法的流程图。类似的参考标记在各个附图中代表类似的元件。
具体实施方式
下面使用专用语言公开附图中所示的实施例或实例。但是不能将这些实施例和实例理解成限制性的。公开的实施例中的任何改变和更改以及在本文件中所公开的原理的任何其他应用对相关领域中的普通技术人员来讲都被视作是普遍发生的。在整个实施例中参考标号可以重复，但这些参考标号不规定一个实施例中的部件与其他实施例中的一致，即使它们共用相同的参考标号。一些实施例具有以下特征和/或优点的组合中的其中一个。金属-绝缘体-金属(MIM)电容器被用于电荷泵中的急充电(boost charge)。该泵的效率较高,并且与阈值电压无关，该阈值电压在低温下较高，并且在其他方案中额外导致了效率低下。MIM电容器的每个单元区域的电容较高。由此，MIM电容器和各种实施例中所涉及的电路的晶格区域较小。保护电路还用于防止向MM电容器两端所施加的电压大于MM电容器所能承受的范围。从而保护了 MIM电容器不受到损害。示例件电路
图I是根据一些实施例的电荷泵电路100的示意图。为了进行说明，节点125、130、135和145处的电压分别是电压V125、V130、V135和V145。简单起见，未标记出各个电压。节点145是电荷泵电路100的输出端。节点125具有初始电压，通过该初始电压，泵送(pump)电荷,从而导致节点145处的电压改变了泵电压Vpump (未标记)。泵电压Vpump是电压V145和电压V125之间的电压差，并且该电压差是正的或负的。例如，如果电压V145大于电压V125,则泵电压Vpump是正的。但是，如果电压V145小于电压V125,那么泵电压Vpump是负的。为了进行说明，OV的电压V125i是节点125处的初始直流(DC)电压电平，而泵电压Vpump是IV。开始时，如果电压V145是2V，则泵电压Vpump是IV，在泵送之后，电压V145是3V。换言之，节点145泵送了 IV(从2V到3V)。节点125和节点145之间的电路通常被称作泵级。根据应用方式，在电路100中可以使用一个以上的泵级。在一些实施例中，节点145通过节点125和135处的电压转换进行泵送。在初始电压V125i为OV并且泵电压Vpump为IV的实例中，节点125在OV和IV之间转换。为了进行说明，转换周期或泵周期是时间段T。在时间tl上，例如，节点125从OV转换成IV，并且在IV上保持了时间段T/2。在时间t2上，例如，节点125从IV转换成0V，并且在OV上保持了下一个时间段T/2，直到例如时间t3。另外，在节点145被从2V泵送到3V，而节点125在OV和IV之间转换的实例中，节点135初始为2V，并且在2V和3V之间转换。也就是说，在时间tl上，节点135从2V转换成3V，并且在3V上保持了时间段T/2。在时间t2上，节点135从3V转换成2V，并且2V上保持了下一个时间段T/2，直到时间t3。电路150将节点135处的电荷/电压传送到节点145。电路150还使节点145能够保持在泵电压上。在一些实施例中，在时间tl，当节点135从2V转换成3V时，电路150被接通，从而使节点135处的电流/电压和电荷被从节点135传送到节点145。一旦从节点135到节点145的电荷传送完毕，电路150就被关断，从而防止电荷从节点145流回至节点135。在一些实施例中，节点145上的负载导致节点145处的电压V145降低。然而，通过重复泵循环，电路100为节点145补充电荷，并且使节点145保持在3V上。在一些实施例中，如果节点145上存在有电压纹波，则电容器(未示出)与节点145连接，以减小电压纹波。为了进行说明，电压Vl35和电压Vl25之间的电压差是电压V32 (未标记)，该电压V32在各个实施例中根据泵电压Vpump的正负而分别为正或为负。例如，如果泵电压Vpump为正，则电压V135高于电压V125，并且电压V32为正。但是，如果泵电压Vpump为负，则电压V135低于电压V125，并且电压V32为负。驱动器105为节点125提供了一个机构，以在初始电压V125i和泵电压Vpump之间进行转换。也就是说，在上述实例中，使节点125在OV和IV之间进行转换。电容级110包括与电阻器120并联连接的电容器115。为了进行说明，图I示出具有并联连接的电容器115-1和电阻器120-1的级110-1，以及具有并联连接的电容器115-2和电阻器120-2的级110-2。级110-1与与级110-2串联连接。级110-1将电压V125泵送至电压V130，而级110-2将电压V130泵送至电压V135。在一些实施例中，每个电阻器120的电阻值相同，并且每个电容器115的电容值相同。由此，泵电压在每个电容级110中都相同。也就是说，电压V130和电压V125之间的电压差V130-V125与电压V135和电压V130之间的电压差V135-V130相同。由于节点135处的电容没有作用(在下文中进行解释)，因此,被泵送到每个级110中的总电压等于泵电压Vpump。例如，如果泵电压Vpump是IV，则从节点125处的电压V125中向节点130泵送了 0. 5V，并且从节点130处的电压V130中向 节点135泵送了 0. 5V。在各个实施例中，电容级110的数量根据泵电压Vpump的电压值、允许每个电容器115两端的电压降最大、每个电容器115的电容值产生变化。在一些实施例中，电容器115是金属-绝缘体-金属(MIM)电容器,该电容器作为存储单元在嵌入式动态随机存储器(eDRAM)中存储电荷/数据。将MIM电容器制造成eDRAM的工艺用于制造使用在电路100中的电容器115。根据每个区域单元的电容，该工艺所提供的电容值远高于通过其他技术制造的电容。由此，电路100包括许多电容器115，这些电容器所占用的晶格区域小于其他技术所制造的电容器。存在多种制造工艺和制造用于eDRAM的MM电容器的方法，这些方法为申请人所公知并且未在本文件中进行描述。每个电阻器120与每个对应的电容器115并联连接。电阻器120起到电压限制器的作用，并且出于说明目的进行使用。其他电压限制器都处在各个实施例的范围内。例如，电阻器120设置为使得电容器115两端的电压降不超过允许经过对应的电容器115两端允许的最大电压降。对于另一个实例，电容器115两端的最大电压降为0. 5V,选择电容器120的电容值，使得电压V130-V125和电压V135-V130均不超过0. 5V。在图I所示的实施例中，电阻器120起到分压器的作用来分配电压V32。实际上，电阻器120在起到分压器作用的同时还起到电压限制器的作用，也就是起到限制电容器115两端的电压降的电压限制器的作用。由电阻器120形成的分压器提供了每个电阻器120两端或每个电容器115两端的特定的电压降。由此，电阻器120两端或经过电容器115两端的电压降受到由分压器产生的固定值的限制。例如，如果电压V32为IV，则电阻器120-1和120-2将IV的电压V32分成增量 0. 5V。电压 V130-V125 和 V135-V130 都是 0. 5V。电阻器120还作为电容器115的电流泄漏路径。流过电阻器120的大电流IR减小了流过电容器115的电流IC的大小。电阻器120充当了电流路径，使电流IR流过电阻器120，并且使得每个电容级110两端的电压降相同。若没有电阻器120，例如，第一电容器115中的泄漏电流高于第二电容器115中的泄漏电流，则导致经过第一电容器115的电压降高于经过第二电容器115的电压降。因此，接收了较高电压的第一电容器115被损坏。换言之，在各种实施例中，不会出现第一电容器115两端的第一电压降与第二电容器115两端的第二电压降不同，并且由于较高电压而损坏了电容器115的情况。电流IC是经过电容器115的介电层的泄漏电流。由于每个单元区域的大电容，MIM电容器115比其他种类的电容器更容易受到高电压的损坏。在一些实施例中，基于流过电容器115而不损坏电容器115的最大电流IC来选择电阻器120。例如，可以选择电阻器120，从而使得电流IR比电流IC大得多。在一些实施例中，电流IR是电流IC的大约5至10倍。为了进行说明，电流IR是电流IC的10倍，并且R是电阻器120的总电阻。因此R = V32/IR 或R = V32/(10*IC)(I)在一些实施例中，基于电容器115的类型，比如MM电容器，便可知道经过电容器115的电流IC或泄漏电流。因此，基于上述方程式(I)计算出电阻器R的电阻值，在该方程式中电压V32和电流IC是已知的。然后相应地确定每个电阻器120的电阻。在图I的实例中，R是电阻器120-1和120-2的总电阻。因此，电阻器120-1的电阻和120-2的电阻是电阻器R的电阻的一半。在各个实施例中，当电路100在待机模式中时，即，电路100没有主动泵送时，电流IR被配置为大于电流1C。例如，当节点125和/或135处的电压保持在 DC电平上时。以电阻器120为例，限制电容器115两端的电压降，并且充当电容器115的漏电路径的各种电路都处在各个实施例的范围内。在一些实施例中，当节点125在电压V125i和电压Vpump之间转换时，节点135处的寄生电容135(未标记)影响节点135处的电压电平。例如，当电压V125变化IV(从OV至丨J IV)时，由于寄生电容C135，电压V135不会完全变化IV(从2V到3V)。如果电压AV135是节点135处基于电压Vpump的电压变化，CM頂就是节点125和节点135之间的电容器115的总电容，而Vtf是电压传输比，则Vtf = CMIM/ (CMIM+C135)以及AV135 = Vpump^VtfrA V135 = Vpump* (CMIM/ (CMIM+C135))在一些实施例中，在节点135处的电容器C135的电容是已知的，例如，通过测量获得。选择电容器CMIM和由此产生的电容器110的数量以及每个电容器110的电容值，从而使得传输比Vtf处在预定的值上。例如，传输比Vtf至少为95%。也就是说，Vtf > 95%或泵电压Vpump的损失小于5%。选择电容器CMIM，从而使得电容器CMIM的电容比电容器C135电容的20倍还大。换言之AV135 = Vpump*(CMIM)/(CMIM+C135)或AV135 = Vpump*(20*C135)/((20*C135)+C135)或AV135 = Vpump*20/21示例件方法图2是流程图，该流程图示出了根据一些实施例的选择电容器115和电阻器120的方法。在步骤205中，在一些实施例中，电容器C135在节点135处的电容通过测量和/或通过仿真来确定。在步骤210中，确定传输比Vtf。确定传输比Vtf是包括例如，电压传送效率、电容115在每个电容级110中所使用的晶格区域、电路100中的泵级数量的各种系数之间的协调。例如，传输比Vtf越高，节点135或节点145处所泵送的电压的越高，但电容器CMIM的电容值越大，所使用的电容器115的数量越大。因此，电容级110和泵级占用的晶格区域较大。反之，传输比Vtf越低，所使用的电容器115的数量越小。因此，电容级110和泵级所使用的晶格区域较小。然而，用于节点135或节点145处的泵级的泵电压仍然较小。虽然泵级的泵电压较小，然而在许多情况下会产生附加的泵级，以便得到整个系统所需的泵电压，这使得整体晶格区域较大。在一些实施例中，确定传输比Vtf来获得特定泵电路100的最佳的晶格区域。在步骤215中，基于方程式Vtf = CMIM/ (CMIM+C135)确定电容器CMM。在步骤220中，基于电容器CMM的电容、每个电容器115的电容、泵电压Vpump以及允许电容器115两端的最大电压降来选择电容器115的数量以及由此得到的电容级110的数量。例如，在图I的实例中，泵电压Vpump是IV。电容器115两端允许的最大电压降为
0.5V。因此，有两个串联的电容器115，并且由此有两个电容级110-1和110-2。但是，如果泵电压Vpump是I. 5V，则将会有三个串联的电容器115，等等。相应地选择每个电容器115 的电容。各个实施例都比其他方案更有利。用作电容器115的MM电容器的每个单元区域都具有比其他类型的电容器更高的电容。MIM电容器115不依赖于用于提供栅极电容的晶体管的运行状态。因此，在其他方案中，当晶体管关断时，便没有了泵效率损失。电容器115两端的、会损害电容器115的电压降由对应的电阻器120或与电容器115并联连接的电压限制器进行限制。节点135处的寄生电容C135所导致的效率损失是选择电容器115的工艺的一部分。已经描述了大量实施例。然而应理解的是，可以在不背离本发明的主旨和范围的条件下进行各种修改。例如，图I示出仅用于说明的使用分立电阻器和电容器的电阻器/电容器电路(例如，电阻器120、电容器115)，可以使用等效的电路。可以使用例如，电阻器件、电路或网络(例如，电阻器、电阻器件、电路等的组合)来代替电阻器。类似地可以使用电容器件电路或网络(例如，电容器、电容器件、电路等的组合)来代替电容器。一些实施例涉及的是包括第一节点、第二节点以及至少一个连接在第一节点和第二节点之间的电容级的电荷泵电路。如果至少一个电容级包括多个电容级，则至少一个电容级中的电容级串联连接。至少一个电容级中的电容级包括电容器件以及与电容器件并联连接的电压限制器。电压限制器被配置为限制电容器件两端的电压降。电容器件和电压限制器被配置为，使得流经具有电压限制器的第一支路的第一电流高于流经具有电容器件的第二支路的第二电流。一些实施例涉及一种用于泵电路中的方法，该泵电路在第一节点和第二节点之间具有的至少一个电容级。在该方法中，基于第一节点和第二节点之间的预定泵电压以及至少一个电容级中的电容级的电容器件两端的最大电压降来确定至少一个电容级中的电容级的数量。对于至少一个电容级中的每个电容级，使用与每个电容级的电容器件并联连接的电压限制器，使得每个电容级的电容器件两端的电压将不超过最大电压降，并且使流经具有电压限制器的第一支路的第一电流大于流经具有电容器件的第二支路的第二电流。一些实施例涉及的是具有第一节点、第二节点以及多个在第一节点和第二节点之间串联连接的电容级的电荷泵电路。多个电容级中的每个电容级包括与电容器并联连接的电阻器，并且被配置为将基于第一节点和第二节点之间的泵电压以及多个电容级中的电容级的数量泵送泵级电压。上述方法示出示例性的步骤，但不必非以所示的顺序执行这些步骤。根据公开的 实施例的主旨和范围可以适当地对这些步骤进行添力口、替换、更改顺序和/或删除。
权利要求
1.一种电荷泵电路,包括 第一节点； 第二节点；以及 至少一个电容级，连接在所述第一节点和所述第二节点之间， 其中， 如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级中的电容级串联连接； 所述至少一个电容级中的电容级包括电容器件以及与所述电容器件并联连接的电压限制器； 所述电压限制器被配置为限制所述电容器件两端的电压降；以及 所述电容器件和所述电压限制器被配置为，使得流经具有所述电压限制器的第一支路的第一电流高于流经具有所述电容器件的第二支路的第二电流。
2.根据权利要求I所述的电荷泵，其中，所述电容器件是金属-绝缘体-金属电容器。
3.根据权利要求I所述的电荷泵，其中，如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级中的每个电容级的电容都具有相同的预定值。
4.根据权利要求I所述的电荷泵，其中，基于所述第一节点和所述第二节点之间的至少一个泵电压值、所述至少一个电容级中的每个电容级的每个电容器件的电容、以及所述每个电容器件两端的最大电压降来改变所述至少一个电容级中的电容级的数量，并且 基于所述第二节点的电容、所述第一节点和所述第二节点之间的泵电压值、以及预定的电压传输比来改变所述至少一个电容级的电容。
5.根据权利要求I所述的电荷泵电路，其中，配置所述电容器件和所述电压限制器，使得所述第一电流比所述第二电流大至少五倍。
6.根据权利要求I所述的电荷泵，其中，所述电荷泵电路包括至少两个电容级； 所述至少两个电容级中的电容级的所述电压限制器是电阻器；以及 所述至少两个电容级的所述电阻器被配置为分压器。
7.一种用于泵电路中的方法，所述泵电路在第一节点和第二节点之间具有的至少一个电容级，所述方法包括 基于所述第一节点和所述第二节点之间的预定泵电压值以及所述至少一个电容级中的电容级的电容器件两端的最大电压降来确定所述至少一个电容级中的电容级的数量；以及 对于所述至少一个电容级中的每个电容级，使用与所述每个电容级的电容器件并联连接的电压限制器，使得每个电容级的所述电容器件两端的电压将不超过所述最大电压降，并且使流经具有所述电压限制器的第一支路的第一电流大于流经具有所述电容器件的第二支路的第二电流。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括 确定所述第二节点处的电容；以及 调节所述电容级的数量，从而得到预定电压传输比；所述电压传输比基于所述第二节点处的电容和所述至少一个电容级的电容获得。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，每个至少一个电容级的每个电容器件是金属-绝缘体-金属电容器.，并且 进一步包括使用制造动态随机存储器单元的存储单元的方法来制造金属-绝缘体-金属电容器。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，如果所述至少一个电容级包括多个电容级，则所述至少一个电容级的多个限制器的多个电阻器被配置为在所述第一节点和所述第二节点之间用作分压器。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，进一步基于所述第二节点处的电容和电压传输比来确定所述至少一个电容级的电容级的数量，所述电压传输比基于所述第二节点处的所述电容和所述至少一个电容级的电容获得。当所述第一节点在第一电压值和第二电压值之间转换时，所述第二节点在第三电压值和第四电压值之间转换；所述第三电压值基于所述第二节点的初始电压值获得；所述第四电压值基于所述第二节点的初始电压值和所述泵电压值获得。
12.—种电荷泵电路包括 第一节点； 第二节点；以及 多个电容级，串联连接在所述第一节点和所述第二节点之间， 其中，所述多个电容级中的每个电容级包括与电容器并联连接的电阻器，并且被配置为将基于所述第一节点和所述第二节点之间的泵电压以及所述多个电容级中的电容级的数量泵送泵级电压。
13.根据权利要求12所述的电荷泵电路，其中，所述第二节点被配置为响应于所述第一节点在第三电压值和第四电压值之间的转换，在第一电压值和第二电压值之间进行转换。
全文摘要
一种电荷泵，包括第一节点、第二节点以及连接在该第一节点和第二节点之间的至少一个电容级。至少一个电容级中的电容级是串联连接的。至少一个电容级中的电容级包括电容器件以及与该电容器并联连接的电压限制器。该电压控制器被配置为限制电容器两端的电压降。电容器件和电压限制器被配置为，使得流经具有电压限制器的第一支路的第一电流高于流经具有电容器件的第二支路的第二电流。
文档编号H02M3/07GK102739041SQ20121001527
公开日2012年10月17日 申请日期2012年1月17日 优先权日2011年4月8日
发明者欧图尔·卡图契, 科马克·迈克尔·奥康奈尔 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司