电荷泵系统及存储器的制造方法
【专利摘要】一种电荷泵系统及存储器。所述电荷泵系统适于提供存储器的操作电压，包括第一电荷泵、第二电荷泵以及控制电路；所述控制电路适于在所述存储器执行第一操作时控制所述第一电荷泵和所述第二电荷泵呈并联连接结构，在所述存储器执行第二操作时控制所述第一电荷泵和所述第二电荷泵呈串联连接结构。本发明提供的电荷泵系统，电荷泵中升压单元的级数减少、储能电容减小，有效地减小了电路面积。
【专利说明】电荷泵系统及存储器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体【技术领域】，特别涉及一种电荷泵系统及存储器。
【背景技术】
[0002] 随着半导体技术的发展，基于低功耗、低成本的设计要求，存储器的电源电压通常 比较低。然而，为了实现存储信息的读写，通常需要远高于电源电压的编程电压和擦除电 压。因此，电荷泵被广泛应用于存储器中，用于通过较低的电源电压获得较高的读取电压、 编程电压以及擦除电压。
[0003] 图1是现有的一种闪存单元M0的电路结构示意图，所述闪存单元M0为双分离栅 晶体管结构，包括两个对称分布于中间电极SG两侧的存储位：第一存储位M01和第二存储 位M02,每个存储位适于存储一位数据。其中，所述第一存储位M01包括源极S、第一控制栅 极CG1以及第一浮栅；第二存储位M02包括漏极D、第二控制栅极CG2以及第二浮栅。通过 对所述源极S、所述第一控制栅极CG1、所述中间电极SG、所述漏极D以及所述第二控制栅极 CG2施加操作电压，实现对所述闪存单元M0的读操作、写操作以及擦除操作，具体的操作电 压如图2所示。
[0004] 参考图2,对所述闪存单元M0进行不同操作时，需要电荷泵系统提供不同的操作 电压。在不同操作下，同一个电荷泵可以提供不同的操作电压，以减少电荷泵的数量。图3 是现有的一种电荷泵系统30的结构示意图，所述电荷泵系统30适于为所述闪存单元M0提 供操作电压。具体地，所述电荷泵系统30包括第一电荷泵301、第二电荷泵302以及第三电 荷泵303。其中，所述第一电荷泵301适于提供高压HV，例如，进行写操作时的7V?9V电 压和进行擦除操作时的8V?10V电压；所述第二电荷泵302适于提供中压MV，例如，进行 读操作时的4V?6V电压和进行写操作时的4V?6V电压；所述第三电荷泵303适于提供 负压NV，例如，进行擦除操作时的-6V?-10V电压。进行读操作时的3V?5V电压、进行写 操作时的1. 5V?2V电压以及进行写操作时的4V?6V电压可以对所述中压MV进行分压 获得，因而不再需要额外的电荷泵提供。
[0005] 通过一个电荷泵在不同操作下提供不同的操作电压，减少了电荷泵的数量，所述 电荷泵系统30的电路面积得到减小。然而，为了保证所述第一电荷泵301和所述第二电荷 泵302具有足够的驱动能力，所述电荷泵系统30的电路面积仍然较大。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的是电荷泵系统电路面积大的问题。
[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种电荷泵系统，适于提供存储器的操作电压。所述 电荷泵系统包括第一电荷泵、第二电荷泵以及控制电路；
[0008] 所述控制电路适于在所述存储器执行第一操作时控制所述第一电荷泵和所述第 二电荷泵呈并联连接结构，在所述存储器执行第二操作时控制所述第一电荷泵和所述第二 电荷泵呈串联连接结构。
[0009] 可选的，所述控制电路包括第一开关、第二开关、第三开关以及选择单元；
[0010] 所述第一开关的第一端连接所述第一电荷泵的输出端和所述第二开关的第一端， 所述第一开关的控制端适于接收第一控制信号，所述第一开关的第二端连接所述第三开关 的第一端；
[0011] 所述第二开关的控制端适于接收第二控制信号，所述第二开关的第二端连接所述 选择单元的第一输入端；
[0012] 所述第三开关的控制端适于接收第三控制信号，所述第三开关的第二端连接所述 第二电荷泵的输出端；
[0013] 所述选择单元的第二输入端适于输入所述存储器的电源电压，所述选择单元的输 出端连接所述第二电荷泵的输入端。
[0014] 可选的，所述第一开关、所述第二开关以及所述第三开关均为PM0S晶体管，所述 第一开关的第一端、所述第二开关的第一端以及所述第三开关的第一端为PM0S晶体管的 源极，所述第一开关的第二端、所述第二开关的第二端以及所述第三开关的第二端为PM0S 晶体管的漏极，所述第一开关的控制端、所述第二开关的控制端以及所述第三开关的控制 端为PM0S晶体管的栅极。
[0015] 可选的，所述第一操作为读操作，所述第二操作为写操作或者擦除操作。
[0016] 可选的，所述电荷泵系统还包括：适于产生所述第一控制信号、所述第二控制信号 以及所述第三控制信号的控制信号产生单元，所述控制信号产生单元包括或非门电路、第 一电平移位电路以及第二电平移位电路；
[0017] 所述或非门电路的第一输入端适于接收写使能信号，所述或非门电路的第二输入 端适于接收擦除使能信号，所述或非门电路的输出端连接所述第一电平移位电路的使能端 和所述第二电平移位电路的使能端；
[0018] 所述第一电平移位电路的输入端连接所述第一电荷泵的输出端，所述第一电平移 位电路的第一输出端适于输出所述第二控制信号，所述第一电平移位电路的第二输出端适 于输出所述第一控制信号；
[0019] 所述第二电平移位电路的输入端连接所述第二电荷泵的输出端，所述第二电平移 位电路的输出端适于输出所述第三控制信号；
[0020] 在所述存储器执行第一操作时，所述第一控制信号的幅度和所述第三控制信号的 幅度均为参考电位，所述第二控制信号的幅度等于所述第一电荷泵的输出端电压；
[0021] 在所述存储器执行第二操作时，所述第一控制信号的幅度等于所述第一电荷泵的 输出端电压，所述第二控制信号的幅度为所述参考电位，所述第三控制信号的幅度等于所 述第二电荷泵的输出端电压。
[0022] 可选的，所述参考电位为地电位。
[0023] 可选的，所述第一电荷泵和所述第二电荷泵为两相位电荷泵、四相位电荷泵或者 电荷转移开关电荷栗。
[0024] 基于上述电荷泵系统，本发明还提供一种存储器，包括多个呈阵列排布的存储单 元，还包括上述电荷泵系统，所述电荷泵系统适于提供所述存储器的操作电压。
[0025] 可选的，所述存储器为闪存。
[0026] 可选的，所述存储器为EEPR0M。
[0027] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0028] 本发明提供的电荷泵系统，能够在存储器进行不同操作时，改变两个电荷泵的连 接方式。在存储器需要所述电荷泵系统提供电压值低而驱动电流大的操作电压时，所述电 荷泵系统中的两个电荷泵呈并联连接结构，以减小电荷泵中储能电容的面积；在存储器需 要所述电荷泵系统提供电压值高而驱动电流小的操作电压时，所述电荷泵系统中的两个电 荷泵呈串联连接结构，以减少电荷泵中升压单元的级数。由于电荷泵中存储电容的面积减 小、升压单元的级数减少，本发明提供的电荷泵系统有效地减小了电路面积。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是现有的一种闪存单元的电路结构示意图；
[0030] 图2是对图1所示的闪存单元施加的操作电压的示意图；
[0031] 图3是现有的一种电荷泵系统的结构示意图；
[0032] 图4是现有的两相位电荷泵中升压单元的电路图；
[0033] 图5是本发明实施方式的电荷泵系统的结构示意图；
[0034] 图6是本发明实施例的控制电路的结构示意图；
[0035] 图7是本发明实施例的控制信号产生单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 本领域技术人员知晓，电荷泵的驱动能力（输出的电压和驱动电流）需要满足其 负载的需求。对于图3所示为闪存单元提供操作电压的电荷泵系统，所述第一电荷泵301、 所述第二电荷泵302以及所述第三电荷泵303的驱动能力根据关系式IXt = CXV确定， 其中，I为电荷泵的驱动电流，t为对所述闪存单元的操作时间，C为接收操作电压的电极的 输入电容，V为施加的操作电压。通常，对所述闪存单元进行读操作时，读操作时间较短，需 要所述第二电荷泵302输出较大的驱动电流；而对所述闪存单元进行写操作或者擦除操作 时，写操作或者擦除操作时间较长，所述第一电荷泵301输出较小的驱动电流就能满足要 求。
[0037] 电荷泵通常包括多级升压单元。图4为包括两级升压单元的两相位电荷泵的部分 电路图，每级升压单元包括匪0S晶体管N41和储能电容C41。所述NM0S晶体管N41的栅极 连接所述NM0S晶体管N41的漏极，所述NM0S晶体管N41的源极连接所述储能电容C41的 一端，所述储能电容C41的另一端适于连接时钟振荡电路。所述时钟振荡电路产生两相不 交叠时钟CK1和CK2,时钟的幅度一般与所述电荷泵的电源电压Vdd相等。当时钟CK1为 低电平时，所述电源电压Vdd通过所述NM0S晶体管N41对所述储能电容C41充电；当时钟 CK1为高电平时，所述储能电容C41上极板电压跳变为所述电源电压Vdd的两倍，给下一级 升压单元中的储能电容充电。而当时钟CK1又为低电平时，由于二极管接法的匪0S晶体管 N41具有单向导通性，电荷无法从右边传回左边。随着升压单元级数的增加，电荷就源源不 断地从输入端传递到输出端，从而得到所需的输出电压Vout。
[0038] 升压单元的级数越多，所述电荷泵的输出电压Vout越大；所述储能电容C41越大， 所述电荷泵输出的驱动电流越大。对于图3所示为闪存单元提供操作电压的电荷泵系统， 为了提供高操作电压，所述第一电荷泵301中升压单元的级数设置得较多；为了提供大驱 动电流，所述第二电荷泵302中的储能电容设置得较大。升压单元的级数设置得较多，储能 电容设置得较大，导致图3所示的电荷泵系统占据较大的电路面积。
[0039] 本发明提供一种电荷泵系统，所述电荷泵系统适于提供存储器的操作电压。图5 是本发明实施方式的电荷泵系统的结构示意图，包括第一电荷泵51、第二电荷泵52以及控 制电路53。所述第一电荷泵51适于对所述第一电荷泵51的输入端ini接收的电压（通 常为存储器的电源电压）进行升压，所述第二电荷泵52适于对所述第二电荷泵52的输入 端in2接收的电压进行升压。所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52可以为现有的任意 一种电荷泵，例如两相位电荷泵、四相位电荷泵或者电荷转移开关（CTS，Charge transfer switches)电荷泵，本发明对此不作限定。
[0040] 所述控制电路53适于在所述存储器执行第一操作时控制所述第一电荷泵51和所 述第二电荷泵52呈并联连接结构，即控制所述第一电荷泵51的输出端outl连接所述第二 电荷泵52的输出端out2 ;所述控制电路53适于在所述存储器执行第二操作时控制所述第 一电荷泵51和所述第二电荷泵52呈串联连接结构，即控制所述第一电荷泵51的输出端 outl连接所述第二电荷泵52的输入端in2。在本发明中，所述第一操作为需要操作电压低 而驱动电流大的操作，所述第二操作为需要操作电压高而驱动电流小的操作。例如，对于图 1所示的闪存单元，所述第一操作为读操作，所述第二操作为写操作或者擦除操作。
[0041] 在所述存储器执行第一操作时，所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52呈并联 连接结构，与现有技术中采用一个电荷泵提供操作电压低而驱动电流大的电荷泵系统相 t匕，在提供相同驱动电流的情况下，所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52中的储能电容 减小；在所述存储器执行所述第二操作时，所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52呈串 联连接结构，与现有技术中采用一个电荷泵提供操作电压高而驱动电流小的电荷泵系统相 t匕，在提供相同操作电压的情况下，所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52中升压单元的 级数减少。由于所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52中储能电容减小、升压单元的级 数减少，本发明提供的电荷泵系统有效地减小了电路面积。
[0042] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施例做详细的说明。
[0043] 本发明实施例提供一种所述控制电路53的具体电路结构，如图6所示。所述控制 电路53包括第一开关K61、第二开关K62、第三开关K63以及选择单元60。具体地，所述第 一开关K61的第一端连接所述第一电荷泵51的输出端outl和所述第二开关K62的第一端， 所述第一开关K61的控制端适于接收第一控制信号ctrl，所述第一开关K61的第二端连接 所述第三开关K63的第一端。所述第二开关K62的控制端适于接收第二控制信号ctr2,所 述第二开关K62的第二端连接所述选择单元60的第一输入端。所述第三开关K63的控制 端适于接收第三控制信号ctr3,所述第三开关K63的第二端连接所述第二电荷泵52的输出 端out2。所述选择单元60的第二输入端适于输入所述存储器的电源电压Vdd，所述选择单 元60的输出端连接所述第二电荷泵52的输入端in2。
[0044] 在所述存储器执行所述第一操作时，所述第一控制信号Ctrl控制所述第一开关 K61导通，所述第二控制信号ctr2控制所述第二开关K62关断，所述第三控制信号ctr3控 制所述第三开关K63导通，所述选择单元60选择将所述选择单元60的输出端与所述选择 单元60的第二输入端连接，所述第二电荷泵52对所述存储器的电源电压Vdd进行升压，所 述第一电荷泵51的输出端outl连接所述第二电荷泵52的输出端out2,所述第一电荷泵 51与所述第二电荷泵52呈并联连接结构。
[0045] 在所述存储器执行所述第二操作时，所述第一控制信号Ctrl控制所述第一开关 K61关断，所述第二控制信号ctr2控制所述第二开关K62导通，所述第三控制信号ctr3控 制所述第三开关K63关断，所述选择单元60选择将所述选择单元60的输出端与所述选择 单元60的第一输入端连接，所述第二电荷泵52对所述第一电荷泵51输出的电压进行升 压，所述第一电荷泵51与所述第二电荷泵52呈串联连接结构。
[0046] 在本实施例中，所述第一开关K61、所述第二开关K62以及所述第三开关K63均为 PM0S晶体管，所述第一开关K61的第一端、所述第二开关K62的第一端以及所述第三开关 K63的第一端为PM0S晶体管的源极，所述第一开关K61的第二端、所述第二开关K62的第二 端以及所述第三开关K63的第二端为PM0S晶体管的漏极，所述第一开关K61的控制端、所 述第二开关K62的控制端以及所述第三开关K63的控制端为PM0S晶体管的栅极。需要说 明的是，在其他实施例中，所述第一开关K61、所述第二开关K62以及所述第三开关K63也可 以为NM0S管，或者部分为PM0S管、部分为NM0S管，本发明对此不作限定。
[0047] 所述第一控制信号Ctrl、所述第二控制信号ctr2以及所述第三控制信号ctr3可 以由对所述存储器发出操作信号的实体（例如CPU)产生，也可以由所述控制电路53根据 操作使能信号产生。若由所述控制电路53产生所述第一控制信号Ctrl、所述第二控制信号 ctr2以及所述第三控制信号ctr3,所述控制电路53还包括控制信号产生单元。以所述第 一操作为读操作、所述第二操作为写操作或者擦除操作为例，图7是本发明实施例的控制 信号产生单元的结构示意图，所述控制信号产生单元包括或非门电路71、第一电平移位电 路72以及第二电平移位电路73。
[0048] 所述或非门电路71的第一输入端适于接收所述存储器的写使能信号PR0G，所述 或非门电路71的第二输入端适于接收所述存储器的擦除使能信号ERSEN，所述或非门电路 71的输出端连接所述第一电平移位电路72的使能端EN1和所述第二电平移位电路73的使 能端EN2。所述写使能信号PR0G和所述擦除使能信号ERSEN由对所述存储器发出操作信 号的实体（例如CPU)产生，当所述写使能信号PR0G为高电平信号时，所述存储器执行写操 作；当所述擦除使能信号ERSEN为高电平信号时，所述存储器执行擦除操作。
[0049] 所述第一电平移位电路72的输入端HVI1连接所述第一电荷泵51的输出端outl， 所述第一电平移位电路72的第一输出端HV01适于输出所述第二控制信号ctr2,所述第一 电平移位电路72的第二输出端HV02适于输出所述第一控制信号Ctrl。所述第二电平移位 电路73的输入端HVI2连接所述第二电荷泵52的输出端out2,所述第二电平移位电路73 的输出端适于输出所述第三控制信号ctr3。
[0050] 在所述存储器执行所述第一操作时，即在所述存储器执行读操作时，所述写使能 信号PR0G和所述擦除使能信号ERSEN均为低电平信号，所述或非门电路71输出高电平信 号。所述第一电平移位电路72的使能端EN1和所述第二电平移位电路73的使能端EN2接 收高电平信号，所述第一控制信号Ctrl的幅度和所述第三控制信号ctr3的幅度均为参考 电位，经过电平移位，所述第二控制信号ctr2的幅度等于所述第一电荷泵51的输出端outl 的电压。所述参考电位通常为地电位，因此，所述第一开关K61和所述第三开关K63导通， 所述第二开关K62关断，所述第一电荷泵51和所述第二电荷泵52呈并联连接结构。
[0051] 在所述存储器执行所述第二操作时，即在所述存储器执行写操作或者擦除操作 时，所述写使能信号PR0G和所述擦除使能信号ERSEN中至少有一个为高电平信号，所述或 非门电路71输出低电平信号。所述第一电平移位电路72的使能端EN1和所述第二电平移 位电路73的使能端EN2接收低电平信号，经过电平移位，所述第一控制信号Ctrl的幅度等 于所述第一电荷泵51的输出端outl的电压，所述第三控制信号ctr3的幅度等于所述第二 电荷泵52的输出端out2的电压，而所述第二控制信号ctr2的幅度为所述参考电位。因 此，所述第一开关K61和所述第三开关K63关断，所述第二开关K62导通，所述第一电荷泵 51和所述第二电荷泵52呈串联连接结构。
[0052] 所述第一电平移位电路72和所述第二电平移位电路73可以为现有的任意一种电 平移位电路，本发明对此不作限定。
[0053] 本发明还提供一种存储器，包括多个呈阵列排布的存储单元，还包括适于提供所 述存储器的操作电压的电荷泵系统，所述电荷泵系统的电路结构可以如图5所示。进一步， 所述存储单元的结构可以如图1所示，所述存储器可以为闪存或者EEPR0M。当然，所述存储 器并不限于闪存或者EEPR0M，本发明对此不作限定。
[0054] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种电荷泵系统，适于提供存储器的操作电压，其特征在于，包括第一电荷泵、第二 电荷泵以及控制电路； 所述控制电路适于在所述存储器执行第一操作时控制所述第一电荷泵和所述第二电 荷泵呈并联连接结构，在所述存储器执行第二操作时控制所述第一电荷泵和所述第二电荷 泵呈串联连接结构。
2. 如权利要求1所述的电荷泵系统，其特征在于，所述控制电路包括第一开关、第二开 关、第三开关以及选择单元； 所述第一开关的第一端连接所述第一电荷泵的输出端和所述第二开关的第一端，所述 第一开关的控制端适于接收第一控制信号，所述第一开关的第二端连接所述第三开关的第 一端； 所述第二开关的控制端适于接收第二控制信号，所述第二开关的第二端连接所述选择 单元的第一输入端； 所述第三开关的控制端适于接收第三控制信号，所述第三开关的第二端连接所述第二 电荷泵的输出端； 所述选择单元的第二输入端适于输入所述存储器的电源电压，所述选择单元的输出端 连接所述第二电荷泵的输入端。
3. 如权利要求2所述的电荷泵系统，其特征在于，所述第一开关、所述第二开关以及所 述第三开关均为PMOS晶体管，所述第一开关的第一端、所述第二开关的第一端以及所述第 三开关的第一端为PMOS晶体管的源极，所述第一开关的第二端、所述第二开关的第二端以 及所述第三开关的第二端为PMOS晶体管的漏极，所述第一开关的控制端、所述第二开关的 控制端以及所述第三开关的控制端为PMOS晶体管的栅极。
4. 如权利要求3所述的电荷泵系统，其特征在于，所述第一操作为读操作，所述第二操 作为写操作或者擦除操作。
5. 如权利要求4所述的电荷泵系统，其特征在于，还包括：适于产生所述第一控制信 号、所述第二控制信号以及所述第三控制信号的控制信号产生单元，所述控制信号产生单 元包括或非门电路、第一电平移位电路以及第二电平移位电路； 所述或非门电路的第一输入端适于接收写使能信号，所述或非门电路的第二输入端适 于接收擦除使能信号，所述或非门电路的输出端连接所述第一电平移位电路的使能端和所 述第二电平移位电路的使能端； 所述第一电平移位电路的输入端连接所述第一电荷泵的输出端，所述第一电平移位电 路的第一输出端适于输出所述第二控制信号，所述第一电平移位电路的第二输出端适于输 出所述第一控制信号； 所述第二电平移位电路的输入端连接所述第二电荷泵的输出端，所述第二电平移位电 路的输出端适于输出所述第三控制信号； 在所述存储器执行第一操作时，所述第一控制信号的幅度和所述第三控制信号的幅度 均为参考电位，所述第二控制信号的幅度等于所述第一电荷泵的输出端电压； 在所述存储器执行第二操作时，所述第一控制信号的幅度等于所述第一电荷泵的输出 端电压，所述第二控制信号的幅度为所述参考电位，所述第三控制信号的幅度等于所述第 二电荷泵的输出端电压。
6. 如权利要求5所述的电荷泵系统，其特征在于，所述参考电位为地电位。
7. 如权利要求1至6任一项所述的电荷泵系统，其特征在于，所述第一电荷泵和所述第 二电荷泵为两相位电荷泵、四相位电荷泵或者电荷转移开关电荷泵。
8. -种存储器，包括多个呈阵列排布的存储单元，其特征在于，还包括权利要求1至7 任一项所述的电荷泵系统，所述电荷泵系统适于提供所述存储器的操作电压。
9. 如权利要求8所述的存储器，其特征在于，所述存储器为闪存。
10. 如权利要求8所述的存储器，其特征在于，所述存储器为EEPROM。
【文档编号】G11C16/06GK104091613SQ201410352917
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】张圣波, 胡剑, 杨光军 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司