CN108447511A - 半导体存储器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种半导体存储器及其控制方法，半导体存储器包括：温度传感器，用于检测半导体存储器的温度；刷新控制单元，通过采样温度传感器所检测的半导体存储器的温度来控制半导体存储器进行自刷新操作的频率；温度控制单元，用于从温度传感器处获取半导体存储器的温度，并发送启动ZQ校准的信号。本发明实现半导体存储器根据自身温度变化自动启动ZQ校准，温度控制单元和刷新控制单元共用温度传感器，可以节省成本，节省功耗。

Description

半导体存储器及其控制方法
本申请是在先申请(发明名称：应用于半导体存储器的ZQ校准控制；申请日：2017年8月21日；申请号：2017107205858)的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体存储技术领域，尤其涉及一种半导体存储器及其控制方法。
背景技术
对DRAM(Dynamic Random Access Memory，动态随机存取存储器)来说，输出端的上拉(pull-up)/下拉(pull-down)的电阻值的大小和匹配影响输出信号的完整性。在DRAM应用中，通常使用ZQ校准(ZQ calibration)来调节输出上拉/下拉的能力(即调节输出端的上拉/下拉的电阻值)。如图1所示，在半导体存储器系统上电后，半导体存储器的控制器10会发送一个ZQ校准命令(ZQCL，ZQ Long Calibration，ZQ长类型校准)给ZQ校准单元20，ZQ校准单元20进行ZQ校准，以校准输出的上拉/下拉强度(即校准输出端的上拉/下拉的电阻值大小)，并将输出上拉电阻设置参数和输出下拉电阻设置参数复制给DQ管脚的输出驱动单元30。
随着DRAM在系统中工作状态发生变化(比如高速频繁读写和低速间隔读写)，芯片温度会随时发生变化，从而影响输出端的上拉/下拉电阻值，使输出端的上拉/下拉电阻可能会再次出现不匹配，影响输出信号的完整性，需要控制器10周期性的重复发送ZQ校准命令(ZQCS，ZQ Short Calibration，ZQ短类型校准)给ZQ校准单元20，进行ZQ校准。如果温度变化率不恒定，会导致控制器10更新不及时，或者冗余更新太多，功耗过大。
因此，如何及时有效的改善DRAM输出端的输出阻值，以维持输出信号的完整性，是亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种半导体存储器及其控制方法，以至少解决现有技术中的以上技术问题。
作为本发明实施例的第一个方面，本发明实施例提供一种半导体存储器，包括：
温度传感器，用于检测半导体存储器的温度；
刷新控制单元，连接于所述温度传感器，通过采样所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度来控制所述半导体存储器进行自刷新操作的频率；以及
温度控制单元，连接于所述温度传感器，用于从所述温度传感器处获取所述半导体存储器的温度，并根据所述半导体存储器的温度发送启动ZQ校准的信号。
优选地，所述半导体存储器还包括：
ZQ校准单元，连接于所述温度控制单元，令所述温度控制单元串接于所述温度传感器和所述ZQ校准单元之间，所述ZQ校准单元用于在收到所述温度控制单元启动ZQ校准的信号时，对所述半导体存储器进行ZQ校准，并在ZQ校准结束时发送ZQ校准结束的信号给所述温度控制单元；
所述温度控制单元用于从所述温度传感器处获取并存储所述半导体存储器的第一温度值和第二温度值，计算所述第一温度值和所述第二温度值的偏差，在所述偏差超过阈值时向所述ZQ校准单元发送启动ZQ校准的信号；其中，所述第一温度值是所述温度控制单元在预设的采样周期下获取的由所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度；所述第二温度值是所述温度控制单元在收到所述ZQ校准单元发送的ZQ校准结束的信号时获取的所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度。
进一步地，在所述半导体存储器和所述ZQ校准单元都处于空闲状态下，所述ZQ校准单元在收到启动ZQ校准的信号时对所述半导体存储器进行ZQ校准。
进一步地，当所述半导体存储器处于所述空闲状态下，所述刷新控制单元控制所述半导体存储器进行所述自刷新操作的频率为零。
进一步地，所述半导体存储器还包括控制器，连接于所述ZQ校准单元，所述ZQ校准单元通过所述控制器获得所述半导体存储器处于所述空闲状态。
优选地，所述温度控制单元包括：第一寄存器、第二寄存器、计算子单元、比较子单元和控制子单元；
所述第一寄存器，连接于所述温度传感器与所述控制子单元之间，用于在所述控制子单元的触发下从所述温度传感器处获取和存储所述第一温度值；
所述第二寄存器，连接于所述温度传感器与所述控制子单元之间，用于在收到所述ZQ校准单元发出的ZQ校准结束的信号时从所述温度传感器处获取和存储所述第二温度值；
所述计算子单元，连接于所述第一寄存器和所述第二寄存器的输出端，用于计算所述第一温度值与所述第二温度值的偏差；
所述比较子单元，连接于所述计算子单元和所述控制子单元之间，用于比较所述偏差与所述阈值，并将比较结果输出给所述控制子单元；及，
所述控制子单元，连接于所述第一寄存器和所述ZQ校准单元之间，用于以所述采样周期触发所述第一寄存器，以及在所述偏差超过所述阈值时发送启动ZQ校准的信号给所述ZQ校准单元。
进一步地，所述ZQ校准单元对所述半导体存储器进行ZQ校准包括进行第一时长的ZQ长类型校准和进行第二时长的ZQ短类型校准，所述第一时长大于所述第二时长，当ZQ校准单元收到所述控制子单元发出的启动ZQ校准的信号时，所述ZQ校准单元对所述半导体存储器进行ZQ短类型校准。
进一步地，所述温度控制单元还包括逻辑门，连接于所述控制子单元与所述ZQ校准单元之间，所述控制子单元通过所述逻辑门发送启动所述ZQ短类型校准的信号给所述ZQ校准单元。
作为本发明实施例的另一个方面，本发明实施例提供一种半导体存储器的控制方法，基于上述的半导体存储器，包括：
所述刷新控制单元通过采样所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度来控制所述半导体存储器进行自刷新操作的频率；以及
所述温度控制单元从所述温度传感器处获取所述半导体存储器的温度，并根据所述半导体存储器的温度发送启动ZQ校准的信号。
进一步地，所述方法还包括：在所述半导体存储器和用于执行ZQ校准的装置都处于空闲状态下，所述半导体存储器启动ZQ校准。
进一步地，当所述半导体存储器处于所述空闲状态下，所述刷新控制单元控制所述半导体存储器进行所述自刷新操作的频率为零。
本发明采用上述技术方案，具有如下优点：
本发明的半导体存储器通过增加一个温度控制单元可实现半导体存储器根据自身温度变化自动启动ZQ校准，从而改善输出端口的输出阻值，以维持信号的完整性，也减轻控制器的编程负担，对输出端口的输出阻值的控制更加灵活有效；温度控制单元和刷新控制单元共用温度传感器，可以节省成本，节省功耗。
上述概述仅仅是为了说明书的目的，并不意图以任何方式进行限制。除上述描述的示意性的方面、实施方式和特征之外，通过参考附图和以下的详细描述，本发明进一步的方面、实施方式和特征将会是容易明白的。
附图说明
在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本发明公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本发明范围的限制。
图1为现有技术中ZQ校准控制器的组成结构示意图；
图2为本发明实施例ZQ校准控制器的组成结构示意图；
图3为本发明实施例ZQ校准控制器的温度控制单元的组成结构示意图。
附图标记
10：控制器 20：ZQ校准单元 30：输出驱动
100：温度传感器 200：温度控制单元 210：第一寄存器
220：第二寄存器 230：计算子单元 240：比较子单元
250：控制子单元 260：逻辑门 300：ZQ校准单元
400：DQ输出驱动 500：DQ管脚
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。
本发明实施例利用半导体存储器已有的温度传感器和ZQ校准单元，通过增加温度控制单元来检测半导体存储器的温度变化，在变化幅度超过一定的范围时，及时启动ZQ校准，从而改善输出特性。
如图2所示，本实施例提供了一种ZQ校准控制器，包括温度传感器100、温度控制单元200和ZQ校准单元300。
温度传感器100连接温度控制单元200，用于检测半导体存储器的温度供温度控制单元200采样使用。
通常，半导体存储器都会包括温度传感器，用于实时检测半导体存储器的温度，并输出温度值供其他功能单元采样使用。比如，半导体存储器的刷新控制单元通过采样温度传感器所检测的半导体存储器的温度值来控制半导体存储器进行自刷新(Self-Refresh)操作的频率。本实施例的温度传感器100即为半导体存储器已有的单元，因此不会额外增加温度检测单元，从而不会增加半导体存储器的尺寸，不增加成本。
温度控制单元200连接于温度传感器100和ZQ校准单元300之间，用于获取并存储半导体存储器的第一温度值和第二温度值，计算第一温度值和第二温度值的偏差，在偏差超过阈值时发送启动ZQ校准的信号给ZQ校准单元300。
温度控制单元200以预设的采样周期去采样获取温度传感器100所检测的半导体存储器的温度，并存储，该温度值即为第一温度值，采样周期可以为0.1s、0.5s、1s等，可根据半导体存储器的设计性能来设定，本发明实施例不对采样周期做限定。
ZQ校准单元300对半导体存储器进行ZQ校准，并在ZQ校准结束时发送ZQ校准结束的信号给温度控制单元200，温度控制单元200在收到ZQ校准结束的信号时获取此时温度传感器100所检测的半导体存储器的温度，并存储，该温度值即为第二温度值。
ZQ校准单元300为现有半导体存储器的已有单元设计，用于响应启动ZQ校准的信号并对半导体存储器进行ZQ校准。半导体存储器的ZQ管脚外接一个参考电阻，通常为240欧姆的电阻，当ZQ校准单元300进行ZQ校准时，ZQ校准单元300会将半导体存储器内部的输出上拉/下拉电阻与ZQ管脚外接参考电阻的电阻值做比较，使之匹配，并产生一组输出上拉/下拉电阻的设置参数，并在ZQ校准结束时，将这些设置参数输出给DQ管脚500的输出驱动400。
ZQ校准单元300在收到启动ZQ校准的信号时对半导体存储器进行ZQ校准，包括进行第一时长的ZQ长类型校准(ZQCL，ZQ Long Calibration)和进行第二时长的ZQ短类型校准(ZQCS，ZQ Short Calibration)，其中，第一时长大于第二时长。例如，在半导体存储器上电后，半导体存储器的控制器10会向ZQ校准单元300发送初始ZQ校准信号，ZQ校准单元300进行至少512个时钟周期的ZQ校准，此为ZQ长类型校准；在半导体存储器工作过程中，ZQ校准单元300在收到启动ZQ校准的信号时会进行至少64个时钟周期，此为ZQ短类型校准。需要说明的是，在半导体存储器处于空闲(idle)状态时，ZQ校准单元才会响应启动ZQ校准的信号，进行ZQ短类型校准。半导体存储器的空闲状态是指半导体存储器不执行任何操作，包括没有自刷新操作(Self-refreshing)、没有读/写操作(Reading/Writing)、没有ZQ校准操作(ZQ Calibration)等等。
ZQ校准单元300连接至温度控制单元200。ZQ校准单元300收到温度控制单元200发出的启动ZQ校准的信号时，会对半导体存储进行ZQ短类型校准，对输出上拉/下拉电阻以及外接参考电阻进行匹配，并在半导体存储器处于空闲状态时将输出上拉/下拉电阻的设置参数发送给DQ管脚500的输出驱动单元400。
需要说明的是，ZQ校准单元300可通过控制器10得到半导体存储器是否处于空闲状态，并且只有在半导体存储器和ZQ校准单元都处于空闲状态时，ZQ校准单元300才会响应温度控制单元200所发出的ZQ校准信号对半导体存储器进行ZQ校准。因此，本实施例的ZQ控制器不会影响现有控制器10的程序，也不会占用控制器10的资源。此处所述的ZQ校准单元300的空闲状态是指ZQ校准单元300目前没有正在进行的ZQ校准。
根据固态技术协会(Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC)制定的标准，ZQ短类型校准的时间周期将遵循以下公式：
其中，ZQcorrection为ZQ校准的最小变量，取决于半导体存储器的设计规定，通常为0.5％；Tsense为电阻的温度相关系数，即单位温度对电阻的影响百分比，由半导体存储器的设计特性确定；Tdrift_rate为温度变化幅度，即单位时间内温度变化值，本实施例中即为阈值/时间周期；Vsense为电阻的电压相关系数，由半导体存储器的设计特性确定，Vdrift_rate为电压变化幅度，即单位时间内电压变化值。
根据以上可知，阈值与ZQ校准的最小变量ZQcorrection、电阻的温度相关系数Tsense、电压变化幅度Vdrift_rate，电阻的电压相关系数Vsense相关。根据设计经验，电压变化对电阻的影响远小于温度变化对电阻的影响，因此本实施例的ZQ校准控制器将不考虑电压，即设Vsense×Vdrift_rate＝0。因此，以上公式可变形为：
ZQcorrection＝Tsense×阈值
根据每个半导体存储器Tsense的不同，阈值介于2～6℃，包含端点值。优选地，本实施例的半导体存储器的Tsense为0.125％，因此可推算阈值为4℃。
作为优选，本实施例的温度控制单元200包括控制子单元250、第一寄存器210、第二寄存器220、计算子单元230和比较子单元240，如图3所示。
第一寄存器210连接于温度传感器100和控制子单元250之间，在控制子单元250的触发下获取和存储温度传感器100所检测的温度值，即半导体存储器的第一温度值。
第二寄存器220连接于温度传感器100和ZQ校准单元300之间，在收到ZQ校准单元300发出的ZQ校准结束的信号时获取和存储温度传感器100所检测的温度值，即半导体存储器的第二温度值。
计算子单元230连接第一寄存器210和第二寄存器220的输出端，用于计算第一温度值与第二温度值的偏差，因此计算子单元230在本实施例中被设计为减法器。
比较子单元240连接于计算子单元230和控制子单元250之间，用于比较上述偏差与阈值，并将比较结果输出给控制子单元250。
控制子单元250连接至第一寄存器210和ZQ校准单元300之间，并且连接比较子单元240的输出端，用于以预设采样周期触发第一寄存器210去获取并存储第一温度值，以及根据比较子单元240的输出结果发送信号给ZQ校准单元300，具体为在第一温度值与第二温度值的偏差超过阈值时发送启动ZQ校准的信号给所述ZQ校准单元300。
需要说明的是，控制子单元250可以直接发送一个启动ZQ校准的信号给ZQ校准单元300，也可以在控制子单元250与ZQ校准单元300之间连接逻辑门260，在第一温度值与第二温度值的偏差超过阈值时，控制子单元250通过逻辑门260，使控制器10的ZQ短类型校准信号ZQCS有效，从而发送启动ZQ短类型校准的信号ZQCS给ZQ校准单元300。
作为本实施例的另一个方面，本实施例还提供一种包括以上所述ZQ校准控制器的半导体存储器，通过增加一个温度控制单元即可实现半导体存储器根据自身温度变化自动启动ZQ校准，实现片上自动调整，减少控制器的编程负担，节省成本和功耗。
作为本实施例的另一个方面，本实施例还提供一种ZQ校准的控制方法，包括：从温度传感器处获取并存储所述半导体存储器的第一温度值和第二温度值，并计算第一温度值和所述第二温度值的偏差，在偏差超过阈值时启动ZQ校准；其中，在预设的采样周期下获取温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度，此温度值为第一温度值；在ZQ校准结束时获取所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度，此温度值为第二温度值。
本方法的实施并不局限于一种硬件/软件架构，以下仅是基于上述ZQ校准控制器的一种实施例，本发明的保护范围并不局限于此。
优选地，如图1和图2所示，本实施例的ZQ校准控制器的控制方法包括：
温度传感器100检测半导体存储器的温度；温度控制单元200获取并存储半导体存储器的第一温度值和第二温度值，并计算第一温度值和第二温度值的偏差，在偏差超过阈值时发送启动ZQ校准的信号给ZQ校准单元300；ZQ校准单元300收到启动ZQ校准的信号时，对半导体存储器进行ZQ校准，并在ZQ校准结束时发送ZQ校准结束的信号给温度控制单元。
其中，温度控制单元200在采样周期下获取温度传感器100所检测的半导体存储器的温度，此温度值为第一温度值；温度控制单元200在收到ZQ校准单元300发送的ZQ校准结束的信号时获取温度传感器100所检测的半导体存储器的温度，此温度值为第二温度值。
作为优选，上述的温度控制单元200获取并存储所述半导体存储器的第一温度值和第二温度值，计算所述第一温度值和所述第二温度值的偏差，在所述偏差超过阈值时发送启动ZQ校准的信号，具体包括：
控制子单元250以上述采样周期触发第一寄存器210从温度传感器100处获取并存储半导体存储器的第一温度值；第二寄存器220在收到ZQ校准单元发出的ZQ校准结束的信号时从温度传感器100处获取并存储半导体存储器的第二温度值；计算子单元230计算第一温度值与第二温度值的偏差并输出给比较子单元240；比较子单元240比较计算子单元230所输出的偏差与阈值，并将比较结果输出给控制子单元250；控制子单元250在所述偏差超过所述阈值时发送启动ZQ校准的信号给ZQ校准单元300。
ZQ校准方法为本领域已知技术，且在上面对ZQ校准控制器的描述中已进行了介绍，在此不再赘述。
需要说明的是，在半导体存储器和ZQ校准单元300都处于空闲状态时，ZQ校准单元300才会响应温度控制单元200所发出的ZQ校准信号对半导体存储器进行ZQ校准。此处所述的半导体存储器的空闲状态和ZQ校准单元300的空闲状态在上面对ZQ校准控制器的描述中已进行了介绍，在此不再赘述。
本发明实施例的ZQ校准的控制方法可根据半导体存储器的自身温度变化自动启动ZQ校准，从而改善输出端口的输出阻值，以维持信号的完整性；本发明实施例的ZQ校准的控制方法能实现片上自动调整，从而减少控制器的编程负担，节省成本和功耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种半导体存储器，其特征在于，包括：
温度传感器，用于检测半导体存储器的温度；
刷新控制单元，连接于所述温度传感器，通过采样所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度来控制所述半导体存储器进行自刷新操作的频率；以及
温度控制单元，连接于所述温度传感器，用于从所述温度传感器处获取所述半导体存储器的温度，并根据所述半导体存储器的温度发送启动ZQ校准的信号。
2.根据权利要求1所述的半导体存储器，其特征在于，所述半导体存储器还包括：
ZQ校准单元，连接于所述温度控制单元，令所述温度控制单元串接于所述温度传感器和所述ZQ校准单元之间，所述ZQ校准单元用于在收到所述温度控制单元启动ZQ校准的信号时，对所述半导体存储器进行ZQ校准，并在ZQ校准结束时发送ZQ校准结束的信号给所述温度控制单元；
所述温度控制单元用于从所述温度传感器处获取并存储所述半导体存储器的第一温度值和第二温度值，计算所述第一温度值和所述第二温度值的偏差，在所述偏差超过阈值时向所述ZQ校准单元发送启动ZQ校准的信号；其中，所述第一温度值是所述温度控制单元在预设的采样周期下获取的由所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度；所述第二温度值是所述温度控制单元在收到所述ZQ校准单元发送的ZQ校准结束的信号时获取的所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度。
3.根据权利要求2所述的半导体存储器，其特征在于，在所述半导体存储器和所述ZQ校准单元都处于空闲状态下，所述ZQ校准单元在收到启动ZQ校准的信号时对所述半导体存储器进行ZQ校准。
4.根据权利要求3所述的半导体存储器，其特征在于，当所述半导体存储器处于所述空闲状态下，所述刷新控制单元控制所述半导体存储器进行所述自刷新操作的频率为零。
5.根据权利要求3所述的半导体存储器，其特征在于，所述半导体存储器还包括控制器，连接于所述ZQ校准单元，所述ZQ校准单元通过所述控制器获得所述半导体存储器处于所述空闲状态。
6.根据权利要求2至5任一项所述的半导体存储器，其特征在于，所述温度控制单元包括：第一寄存器、第二寄存器、计算子单元、比较子单元和控制子单元；
所述第一寄存器，连接于所述温度传感器与所述控制子单元之间，用于在所述控制子单元的触发下从所述温度传感器处获取和存储所述第一温度值；
所述第二寄存器，连接于所述温度传感器与所述控制子单元之间，用于在收到所述ZQ校准单元发出的ZQ校准结束的信号时从所述温度传感器处获取和存储所述第二温度值；
所述计算子单元，连接于所述第一寄存器和所述第二寄存器的输出端，用于计算所述第一温度值与所述第二温度值的偏差；
所述比较子单元，连接于所述计算子单元和所述控制子单元之间，用于比较所述偏差与所述阈值，并将比较结果输出给所述控制子单元；及
所述控制子单元，连接于所述第一寄存器和所述ZQ校准单元之间，用于以所述采样周期触发所述第一寄存器，以及在所述偏差超过所述阈值时发送启动ZQ校准的信号给所述ZQ校准单元。
7.根据权利要求6所述的半导体存储器，其特征在于，所述ZQ校准单元对所述半导体存储器进行ZQ校准包括进行第一时长的ZQ长类型校准和进行第二时长的ZQ短类型校准，所述第一时长大于所述第二时长，当ZQ校准单元收到所述控制子单元发出的启动ZQ校准的信号时，所述ZQ校准单元对所述半导体存储器进行ZQ短类型校准。
8.根据权利要求7所述的半导体存储器，其特征在于，所述温度控制单元还包括逻辑门，连接于所述控制子单元与所述ZQ校准单元之间，所述控制子单元通过所述逻辑门发送启动所述ZQ短类型校准的信号给所述ZQ校准单元。
9.一种半导体存储器的控制方法，基于如权利要求1所述的半导体存储器，其特征在于，包括：
所述刷新控制单元通过采样所述温度传感器所检测的所述半导体存储器的温度来控制所述半导体存储器进行自刷新操作的频率；以及
所述温度控制单元从所述温度传感器处获取所述半导体存储器的温度，并根据所述半导体存储器的温度发送启动ZQ校准的信号。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述半导体存储器和用于执行ZQ校准的装置都处于空闲状态下，所述半导体存储器启动ZQ校准。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，当所述半导体存储器处于所述空闲状态下，所述刷新控制单元控制所述半导体存储器进行所述自刷新操作的频率为零。
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