具有穿通芯片通孔的半导体器件的制作方法
【专利说明】具有穿通芯片通孔的半导体器件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年10月14日提交的申请号为10-2014-0138234的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本发明的多个实施例涉及一种半导体器件，特别是涉及一种包括穿通芯片通孔的半导体器件。
【背景技术】
[0004]通常，用于封装半导体集成电路的技术已经发展以满足小型化、装配可靠性和高性能的要求。最近，已经开发了用于层叠封装的多种技术来试图满足这些需求。层叠封装的例子可以看出，在具有层叠在单一封装中的多个芯片的三维(3D)半导体器件中，允许集成度的增加。在这个例子中，层叠的芯片通过穿通芯片通孔例如穿通硅通孔(TSV)电耦合。
[0005]TSV通过半导体芯片形成。TSV可以如下形成:第一，在半导体芯片上钻出通孔，硅基绝缘层(例如氧化硅层)可以形成在通孔的内圆周。然后，利用导电材料来填充通孔，以形成能够传输电信号的TSV。
[0006]然而，当在半导体芯片的读操作或写操作中通过TSV传输数据时，在数据发送期间，由于在低电压和/或高速率状态时TSV的高电容，电流消耗会增加。因此，当多个TSV被驱动时，功耗会瞬间增加。
【发明内容】
[0007]各种实施例涉及一种包括用于预充电的穿通芯片通孔的半导体器件，当多个穿通芯片通孔被驱动时，半导体器件降低能量功耗。
[0008]在一个实施例中，一种半导体器件可以包括:多个芯片；第一穿通芯片通孔，其垂直穿过芯片；节能单元，其适用于在预充电周期中被预充电至预充电电压；以及驱动单元，其适用于在驱动周期中利用从节能单元输出的预充电电压来驱动数据。
[0009]半导体器件可以进一步包括预充电单元，其适用于在预充电周期中内将第一穿通芯片通孔的电压电平反相，并且将电压电平改变为预充电电压。
[0010]驱动单元可以包括:控制信号发生部分，其适用于在驱动周期中基于数据产生控制信号；以及驱动部分，其适用于响应于控制信号通过与节能单元的预充电电压电平的电荷共享来控制第一穿通芯片通孔的电压电平。
[0011]控制信号发生部分可以包括:第一控制信号发生器，其适用于在驱动周期中当数据处于高电平时产生具有低电平的控制信号；以及第二控制信号发生器，其适用于在驱动周期中当数据处于低电平时产生具有高电平的控制信号。
[0012]预充电单元可以包括:电平位移器，其适用于将第一穿通芯片通孔的电压电平改变为预充电电压；以及反相器，其适用于将由电平位移器输出的信号反相，和将反相信号传输至节能单元。
[0013]节能单元可以包括垂直穿过芯片的第二穿通芯片通孔。
[0014]节能单元可以包括电容器。
[0015]在实施例中，一种半导体器件可以包括:多个芯片；第一穿通芯片通孔，其垂直穿过芯片；节能单元，其适用于基于第一穿通芯片通孔的电压电平被预充电至预充电电压电平；以及驱动单元，其适用于基于驱动使能信号利用节能单元的预充电电压来驱动数据。
[0016]半导体器件进一步可以包括:预充电单元，其适用于在预充电周期中将第一穿通芯片通孔的电压电平改变为预充电电压，并使预充电电压反相。
[0017]驱动单元可以包括:控制信号发生部分，其适用于基于驱动使能信号和数据来产生控制信号；以及驱动部分，其适用于基于控制信号，通过与节能单元的电荷共享驱动第一穿通芯片通孔。
[0018]控制信号发生部分可以包括:第一控制信号发生器，其适用于当数据处于高电平且驱动使能信号被激活时产生具有低电平的控制信号；第二控制信号发生器，其适用于当数据处于低电平且驱动使能信号被激活时产生具有高电平的控制信号。
[0019]预充电单元可以包括:电平位移器，其适用于将第一穿通芯片通孔的电压电平改变为预充电电压；以及反相器，其适用于将由电平位移器输出的信号反相，并将反相信号传输至节能单元。
[0020]节能单元可以包括垂直穿过芯片的第二穿通芯片通孔。
[0021]节能单元可以包括电容器。
[0022]驱动部分可以包括:上拉晶体管，其适用于当控制信号具有低电平时，上拉驱动第一穿通芯片通孔至电源电压电平；以及下拉晶体管，其适用于当控制信号具有高电平时，下拉驱动第一穿通芯片通孔至地电压电平。
[0023]在实施例中，包括垂直穿过多个芯片的第一穿通芯片通孔和第二穿通芯片通孔的半导体器件的操作方法，可以包括:在预充电周期中基于第一穿通芯片通孔的电压电平预充电第二穿通芯片通孔；在驱动周期中，基于数据来允许第一穿通芯片通孔与第二穿通芯片通孔之间的电荷共享，以便驱动第一穿通芯片通孔。
[0024]第二穿通芯片通孔的预充电可以包括:将第一穿通芯片通孔的电压电平改变为预充电电压电平；以及使改变的电压电平反相。
【附图说明】
[0025]图1是说明依照本发明实施例的半导体器件的方块图。
[0026]图2是说明依照本发明实施例的节能半导体器件的电路图。
[0027]图3是用于描述如图2所示半导体器件操作的时序图。
[0028]图4是说明依照本发明实施例的节能半导体器件的电路图。
【具体实施方式】
[0029]以下将参照附图更详细地描述各种实施例。然而，本发明可以以不同形式实施，且不应解释为局限于本文所列的实施例。更确切地，提供了这些实施例，使得本公开将充分和完整，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。在本公开中，同样的附图标记在本发明的各种附图和实施例中指代同样的部分。
[0030]在说明书中应注意“连接/耦合”不仅表示一个部件与另一个部件直接耦合，还表示经由中间部件与另一个部件间接耦合。另外，只要未在句中特意提及，单数形式可以包括复数形式。在本公开中“之上”和“上面”的意思解释为更宽泛的意思是容易理解的，“之上”不仅意味着“直接在...之上”，还意味着通过某物之间的中间特征(一个或多个)或中间层(一个或多个)位于某物“之上”，“上面”不仅意味着直接在上面，还意味着通过某物之间的中间特征(一个或多个)或中间层(一个或多个)位于某物“上面”。当第一层被称为在第二层“之上”或在基底“之上”时，不仅意味着第一层直接形成在第二层或基底之上，也意味着第三层存在于第一层与第二层或基底之间。
[0031]在下文中，针对穿通芯片通孔将示例性地描述穿通硅通孔(TSV)。
[0032]图1是说明依照本发明实施例的半导体器件的方块图。
[0033]参考图1，半导体器件可以包括传输TSV 110、节能单元120、预充电单元130和驱动单元140。驱动单元140可以包括控制信号发生部分141和驱动部分143。
[0034]传输TSV 110可以包括通过数据DATA来驱动的TSV (即，传输TSV 110可以传输数据DATA)。尽管没有举例说明，半导体器件可以包括层叠在其中的多个芯片(例如存储器芯片)，以及通过垂直穿过芯片的传输TSV 110来输入/输出数据DATA。
[0035]在传输TSV 110的驱动操作之前，节能单元120可以在预充电周期中被预充电至预充电电压VPD/VPS。节能单元120可以包括电容器或垂直穿过芯片的虚设TSV。
[0036]预充电单元130可以对节能单元120进行预充电。预充电单元130可以接收驱动使能信号DRV_EN、传输TSV 110的电压电平，并且预充电节能单元120。换句话说，预充电单元130可以根据传输TSV 110的电压电平(与数据DATA相应)反相传输TSV 110的电压电平，且将电压电平转换为第一预充电电压VPD或第二预充电电压VPS，所述第一预充电电压VPD与电源电压相比具有较高的电压电平，所述第二预充电电压VPS与地电压相比具有较低的电压电平。
[0037]驱动单元140可以根据数据DATA驱动传输TSVl 10。
[0038]控制信号发生部分141可以接收驱动使能信号DRV_EN和数据DATA。在响应于命令来执行写操作或读操作时，驱动使能信号DRV_EN可以被激活。数据DATA可以包括当命令是写命令时从外部施加的数据，或当命令是读命令时从层叠芯片输出的数据。
[0039]控制信号发生部分141可以基于驱动使能信号DRV_EN和数据DATA产生控制信号CTRL_SIG0控制信号CTRL_SIG可以在激活驱动使能信号DRV_EN时被激活。
[0040]驱动部分143可以响应于控制信号CTRL_SIG连接传输TSV 110和节能单元120，使得通过传输TSV 110与节能单元120之间的电荷共享操作，传输TSV 110可以被驱动到与数据DATA相应的电压电平。
[0041]现在半导体器件的操作描述如下。在驱动使能信号DRV_EN被激活之前，节能单元120可以通过预充电单元130以第一预充电电压VPD或第二预充电电压VPS进行