TW201042894A - Regulation of recovery rates in charge pumps - Google Patents

Description

201042894 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 -般而言，本發明係關於電荷泵之領域， 言，係關於支配電荷泵内之恢復率之方法。 ’疋而 【先前技術】 電荷泵使用一切換過程來提供大於其此輸 DC輸出電|電反之一 吕，—電荷泵將U — + 電容器相合至-輸入與-輪出之間的開關。在—…該 循環（充電半循環）期門 個時鐘半 电千僱衣)期間’該電容器並 源電屋以便充電至該輸入電 ：輸入或電 半循環）期間，已充電電容器與該輪入時仏盾環（傳送 提供兩倍於兮轸入免广 ^ 宅整串聯耦合以便 彳σ於°亥輸入電壓位準之一輪出雷厭^ 圖解說明此過程。在Μ 。在圖la及〗

嫩 在圖1a中’將電容器5與輪入帝厥P 聯配置以圖解說明充雷 、 电壓VIN並 „ 在圖lb中，蔣p*带+ 益5與該輸入電壓串 ，充電電谷 L, 配罝以圖解說明傳送车μ但 此，如圖ib中所見，已充 六k半循裱。因 地將係2*VIN。 书”谷态5之正極端子相對於接 電荷栗在諸多上下文中使用。舉例而… 閃記憶體及其他非揮發性記憶 。’笔荷泵用作快 電源電壓產生諸多户 週邊電路以自一較低 王。t夕所需運作雷懕，, 壓。若干電荷泵設外Α μ 例如，程式化或抹除電 —調節方案來提供所期望 且此專設計使用 性對於其中使用哕 勒位準。由於該輸出之準確 丨& π成W出之膺用I& 土 準之準確性相依於… 要，且由於該輪出位 '何調節，因此通常需要改良調節 145074.doc 201042894 之成力以追蹤輸出位準。 【發明内容】 :例示性實施例呈現-種為包含一時鐘及一電荷果之一 碑:果系统設定該時鐘之一頻率之方法。該方法包含為該 、里之頻率設定-初始值，及在使用㈣初㈣率值運行 二鐘運作該電荷泵系統時，確定該電荷泵在-恢復階 ❹ Ο :之—輸出電1之斜升率。然後，調整該時鐘之頻率 以使得電荷栗在恢復階段期間之輸出電塵之斜升率落入不 超過一預定最大速率之一範圍内。 根據另'態樣’呈現—種_系統。該系統包含：一 鐘：路：其用以提供—時鐘信號；-電荷泵，其用以提 么、輸出電壓，置中亡歹ίί·石λ /、Τ 4電何泵經連接以接收該時鐘俨號且 以該時鐘電路之頻率運作；及-調節器電路，其㈣接以 接收該輪出電麼且將自該輸出電屋導出之一調節電遂提供 至該電荷果。該系統亦包含：—暫存器，具有—可讯定 值，其令該時鐘頻率係回應於該暫存器值；及計數與時 電路’其可連接以接收該輸出電壓及該時鐘信號且自盆J 2=電荷果用以自-重設值恢復至一預定值之時鐘循環 本發明之各種態樣、優點、特徵及實施例包含於 明之例示性實例之以下闊述中，應結合隨附圖式理解^ 述。藉此，本文中所提及之所有專利、專利申請案:执 文、其它公開案、文件及諸如此類出於各種目的而以八 引用方式併人本文中。若在賴併人之公開案、文件 145074.doc 201042894 如此類中之任一者與本申請案之間存在術語之定義或使用 上之任何不一致或衝突，則應以本申請案之彼等定義或使 用為準。 【實施方式】 在一典型電荷泵系統内，該電荷泵將具有數個級且此等 級在圖1A之充電半循環與圖1B之傳送半循環之間切換的 速率係藉由供應至該泵之時鐘頻率設定。由於意欲使該泵 系充以足夠電流位準供應某一輪出電壓，並快速地返回 且在將該輸出施加至—負載時維持此等位準，因此該泵系 統經設計以滿足所需技術規範。與經設計成以高於某一速 率恢復至所規定料之m以相反，本文中所述之 系統及方法呈現一電荷泵系統，其中該時鐘頻率可微調以 使得恢復率不會恢復得太迅速。 因由一電荷泉供電之-電路上之不同位置及條件以及晶 拉間之變化，自料輸出供應之位準在其到達不同元件時 之實際斜升率可顯著變化。在該典型當前設計中系設計 者㈣要保證斜升率滿足技術規範中關於「最慢」元件針 對所提出之效能$ JL f /_£. 出之效…取小值。然而，滿足「最慢」元件之 最小效忐使得「最快」供應條件中之 例而士，， dfc 率極快。（舉 :而5 ’在一非揮發性記憶體裝置之情況下，其 陣列之各種元件將因自泵輸 ^ ., 个1 J。已憶體早7L之路庐茬 而在由該果驅動時經歷較慢或較快斜升率。該陣列之= 部分將自同-系得到不同位 …之不同 』匕規察到，若斜林、玄-丄 快，則此可導致不期望之結果。 斜升率太 145074.doc 201042894 Ο Ο 一=非揮發性記憶體裝置實例而言，已在石夕中觀察到， 、了泵之輪出上之一斜升率太快可導致某些問題讀取干 擾，例如，至記憶體單元中之熱電子注入。在一例示性實 轭例:，為解決此等熱電子注入相關失敗，該系統使用— 已減慢（相對於最大可用值）栗時鐘以使得斜升率較慢。因 j亦考量-最大斜升率且相應地調整泵時鐘，而非僅考 2高於某—最小值之—斜升率。在大多數應用中，此亦可 導致因泵輸出之斜升率對於使用泵輸出之最慢元件而言太 慢而，長之定時預算。由於斜升率可由泵時鐘頻率控制， 而非每-晶粒具有-固定系時鐘頻率’因此根據本文中所 呈見之自態樣，該系統使用一可微調時鐘頻率，從而藉 由檢查輸出之斜升率來微調該泵時鐘頻率。 在當則泵設計之一個例示性實施例中，一電壓偵測器電 路產生一「旗標」信號來計數產生此旗標信號所花費的時 間若泵犄鐘頻率比所預期時鐘頻率慢，則使該泵時鐘頻 率增加以將斜升率置於一所期望之範圍内…亦即，增加至 足夠高但亦不太快。因此，該設計可跨越逐晶粒或逐批電 晶體變化具有--致的泵輸出斜升率。 圖2係一典型電荷泵配置之一頂部位階方塊圖。如圖201 中所示’電荷泵201具有作為輸入之一時鐘信號及一電壓 Vreg且提供一輸出Vout。電壓Vreg係由調節器2〇3提供， 該調節器具有作為輸入之一參考電壓Vref及v〇ut。調節器 區塊203調節Vreg之值以使得k*Vout=Vref，其中藉由調整 k的值’可獲得Vout之所期望之值。如此項技術中將熟 145074.doc 201042894 知，值k可實施為（例如）一電阻器比率且通常係透過一數位 至類比轉換器來調整。（雖未顯示’但調節器（2〇3)亦將經 連接以接收自外部電源至晶片之電壓Vext。）調節器203可 取得其他電源電壓而非僅Vext。Vref係（例如）由帶隙產生 盗（未顯不）所提供之具有（比如）1.2伏之一電壓之一固定參 考值。時鐘—高（Clock—High)係至泵201之一時鐘（未顯示） 輸入。 舉例而 5，通常可在 Pan 及 Sarnaddar、MeGraw-Hi 11， 2006 之「Charge Pump Circuit Design」或 Department of

Electrical and Computer Engineering University of Toronto 之 Pylarinos及 Rogers 之「Charge Pumps: An Overview」（在 矣罔頁「www.eecg.toronto.edu/~kphang/ecel371/chargepumps.pdf」 上可用）中發現關於先前技術電荷泵（例如，Dickenson型泵 及電荷泵）之更多資訊。可在美國專利第5,436,587號、第 6,370,075號、第 6,556,465號、第 6,760,262號、第 6,801,454 號、第 6,922,096號、第 7,030,683 號、第7,135,910號、第 7,372,320 號、第 7,368,979 號、第 7,443,735 號、及第 7,440,342號；美國專利公開案2007-0139099-八1及2008-0024096-A1 ;及2004年5月10日提出申請之申請案第 10/842,910 號；2005 年 12 月 6 日提出申請之 1 1/295,906 ; 2005年12月16曰提出申請之1 1/303,387 ; 2006年7月31曰提 出申請之1 1/497,465 ; 2006年9月19日提出申請之11/ 5 23,875 ;兩者皆在2007年8月28日提出申請之1 1/845,903 及11/845,939 ;兩者皆在2007年12月12日提出申請之 145074.doc 201042894 1 1/955,221及1 1/995,237以及购年6月9日提出申請之 12/135,945中發關於各種其他電Μ態樣及設計之進一 步資訊。 在運作時，作為調節過程之一部分，電綱試將 準確地維持在所期望位準處。然、而，在輸出最初經連接以 驅動-負載時，v〇ut通常將降低到所期望值以下且然後回 升並恢復至所期望之值（恢復階段）。—旦回升至^之所

期望之範圍，該泵即f試將該輸出維持在此範圍内（調節 階段）。在先前技術中，泵通常經設計以盡實際上可能快 地恢復…或，或許更通常，至少比某一最小值快速地恢 復…此乃因該電荷泵之目的係在供應所需電流時維持所期 望之Vout值。 該泵之輸出通常將由一裝置上之諸多元件使用。因此， 在m述電荷泵配置中，泵設計將經最佳化以滿足最差情況 條件之一既定恢復技術規範。將對應地在此等最差條件中 〇 最佳化所有定時參數，此乃因具有一太慢的恢復技術規範 將負面地影響裝置效能。然而，如上所述，由於電荷系之 輸出係遞送至電路之具有不同負載之元件且由不同路徑連 接至該泵，因此一既定泵時鐘頻率之所得斜升率可不同； 且亦如上所述，發現一斜升率太快可影響一裝置之可靠 性。圖3可用於圖解說明此效應之一實例。 圖3顯示配置成一NAND串之某些EEPR0M記憶體單元。 (舉例而言，可在美國專利第7，120,051號或美國專利申請 案1 1/759,909中發現具有此一單元配置之非揮發性記憶體 145074.doc 201042894 系統之各種實例之更多細節，該等申請案以全文引用方式 併入本文中且可參考該等申請案以為本文中所給出之經簡 化論述提供上下文。）在圖3中，—串（本文中）五個浮動閘 極電晶體（311、313、321、315及317)係在-對選擇電晶體 303與305之間串聯配置於一基板3〇1上。在單元32ι之一讀 取作業中，使用一選擇閘極電壓Vsg來接通在該串之任一 端上之選擇閘極303及305。在圖3中，選擇用於感測之記 憶體單元係在該串之中心之單元321。在此實例中，將— 電壓BR施加至單元32 1之控制閘極。為以此控制閘極電壓 導通單兀321，必須完全接通該串中之其他記憶體單元 (311、313、3 15、317)，而不管儲存於此等單元上之資料 型樣如何，以使得其不影響對所選單元321上之狀態之確 定。將施加至此等未選單元311、313、315、317之電壓標 記為Vread。由於Vread之值應充分足夠高以針對一記憶體 單疋可保持之貧料位準（本文中對應於儲存於浮動閘極上 之電荷量）中之任一者接通該等記憶體單元，因此此位準 通常係由一電荷泵提供。 在實際實施方案中，未選記憶體單元上之電壓位準將自 然地不即時變成Vread。由於該電壓係自該泉供應，因此 该泵之輸出將在施加此負載時降低、進入至恢復模式中且 斜降回至Vread之經調節之位準。由於自該泵至對應字線 穿過選擇電路、多卫器等）可非係全部相同，因此 該等未選單元上之實際值在其斜升至乂“以時可變化。不 同字線之間的此斜升率差可導致-局部升壓，尤其對於某 145074.doc •10· 201042894 些資料型樣。此可導致跨越某些裝置之一大的汲極-源極 電壓差’其中一個側上係一經升壓之電壓而另—側 係在接地處，且導致衝穿及至單元313中之熱載流子注 - a。為解決此種類型之讀取干擾可能性，可將該泵時鐘頻 t $設定地較低，以使得泵輸出之此最大斜升率係由該栗控 制，而非僅受到該泵與該等單元之控制閘極之間的狀寄 生效應的限制。除設定該泵時鐘頻率以外，該裝置之最佳 〇 化亦可包含相應地變更改變該裝置上之其他定時參數。 可使用圖4圖解說明確定電荷泵之斜升率之一例示性方 法。在圖4中，波形401表示來自該電荷果之。在啦 U之間，該泵處於恢復階段中，從而斜升至當連接至負載 時曾自其下降至之調節階段處之位準。為確定該杲輸出恢 復所花費的時間，計數t〇與"之間的時鐘循環（波形仙 彻）之數目。此可由—計數器完成，該計數器在於轉斷

疋啟用L號（波形en_clk_c〇unter 4〇5)時開始且在其於U 〇處確定已達到調節位準時去斷定該啟用信號。由於已知時 鐘頻率’因此可確定並視需要調整恢復時間以藉由一過程 (例如’圖5之流程之過程）將斜升率放人至所期望之範圍 内。 圖5係用於設定泵時鐘頻率之一例示性流程。在此實施 例中、，微調過程在該時鐘頻率足夠慢之情況下開始以使得 不超過最大斜升率且然後視需要逐漸增加為高於最小速 率’其中遞增之步長足夠小以避免超越上限速率。 在開始該過程之後，在5〇1處啟用該栗及該計數器。此 145074.doc 201042894 對應於圖4在時間t0處變高之信號en_dk_ •counter 403 ° — 旦s玄泵之輸出達到所期望之輸出（對應於圖4之時間tl)，則 在503處停止該計數器。由於已知該泵輸出恢復所需之時 鐘循環之數目與該時鐘頻率兩者，因此可確定該斜升率並 在505處將其與所期望之斜升率相比較。最大及最小斜升 率可係預定值，或在某些實施例中，可動態地確定最大及 最小斜升率；舉例而言’可藉由控制器之韌體基於(比如） 讀取干擾之速率來確定此等值。若確定斜升率快於所期望 之範圍之最小界限，則該時鐘頻率係可接受且該過程結束〇 (507卜若不是，則調整該時鐘頻率，重設該泵且再次檢查 該斜升率。 在圖5之々IL私中，在5丨丨處重設該泵且在$ 13處調整該時 鐘頻率。雖然圖5顯示首先重設泵，但更一般而言，可改 變511與513之次序或可同時完成兩者，只要在返回至5〇ι 之前完成該兩者即可。由於圖5之實施例在時鐘頻率足多 k之情況下開始以使得斜升率將不超過最大所期望之王

率，因此在513處增加該時鐘頻率’其中遞增大小足夠j 以致其將不引起超越…旦重設該泵且調整該頻率，則索 過程再次經歷5(U、5〇3、5〇5,在5()7處結束或在需要時慈 歷另一反覆。 可替代地使用圖5之過程之若干變型。舉例而言，可採 ^足夠高的初始時鐘頻率以使斜升率高於·望之範圍之 取小值，且然後在505處檢查以看斜升是否低於最大值。 在此情況下，若505之比較發現斜升率太快，則替代地將 145074.doc 12 201042894 在513處逐漸減小時鐘速率。更一般而言，5〇5之比較可對 照所期望之|巳圍之上限值及下限值兩者來檢查斜升率且在 513處視情況向上或向下調整。在該等變型中之任一者 中’ 513處遞增之步長可針對所有所需反覆固定或可變， 但在任一情況下，該改變不應如此大以致在513之一單個 反覆中使斜升率自太慢走向太快（或反之亦然）。同樣，主 要根據在將該裝置發出至使用者之前完成之-初始微調作 ◎ 業闡述本文之過程，其亦可實施為一動態過程之一部分。 舉例而5，回到作為一非揮發性記憶體上之一週邊電路之 例不性應用，若控制器發現可因讀取干擾而引起之相對大 量的錯誤，則可調用微調過程且視需要重設泵時鐘頻率。 如上所述，可存在該系統上之其他參數，其中正使用該電 荷泵且將基於該時鐘頻率對其進行調整，但由於該等參數 將係應用特有參數，因此其不包含於圖5之流程中。 圖6係具有一可微調時鐘頻率之—泵系統之一實施例中 〇 之某些元件之-方塊圖。系⑷及調節器咖分別對應於圖 2之泵201及調節器203且可係各種設計中之任一者，例 如，上述參考中之彼等泵及調節器。時鐘CLK 6〇5以相依 於在暫存器609中所設定之值之—頻率向該系提供時鐘信 號。泵輸出Vout及時鐘頻率兩者皆供應至比較/計數區塊 607,其可實施於硬體、韌體或此等之某一組合中。當在 t〇處斷定en_Clk_C〇imter信號（403，圖4)時，泵6〇1斜升， 而比較/計數區塊607記住數目時鐘循環，同時對照參考值 比較Vout'輸出值CNT以指示t0與μ間的數目循環。（未 145074.doc •13· 201042894 顯示控制信號en—elk—counter至泵601及比較/計數元件607 之連接。）由於已知時鐘循環之數目及時鐘頻率，因此可 確定斜升率且視需要調整暫存器609之值，由輸入SET指 示。本文之論述主要在一初始微調過程之上下文中，其中 讀出CNT信號且自外側設定暫存器609之SET值。在其他實 施例中，可在系統自身上確定SET之值：舉例而言，此功 能可示意性地包含於可向暫存器6〇9提供SET之區塊6〇7 中。（雖然在圖6中以組合方式顯示，但針對區塊6〇7所述 之各種功能可根據實施方案分佈於數個元件上。） 雖然上述電荷泵系統可實施為一單獨電路，但其通常將 作為一較大系統上之一週邊元件出現。返回至一非揮發性 記憶體系統之實例’此系統通常係由一控制器晶片及一個 或多個記憶體晶片形成。雖然該電荷泵可在該控制器或一 單獨晶’但其更通常形成為—個或多個記憶體晶片上 之-週邊元件。由於所有記憶體晶片通常係相同，因此其 將皆具有一泵電路，但可停用此等記憶體晶片中之某些二 使得該等晶片中之—者或多者將給其他晶片供電。在此系 ，先中泵601、調即器6〇3且或許亦時鐘奶及暫存器 6〇9可放置於—記憶體晶片 i 〇〇 干比較/汁數凡件在該控 制為或該έ己憶體晶片上，但其他實 此等元件。 -他“例可以不同方式分佈 發施例闡述了本發明，但該闡述僅係本 應用之-實例^應被視為m此 示貫施例之特徵之各種修訂及組合皆在如由以下申請專:: 145074.doc -14- 201042894 範圍所涵蓋之本發明之範疇内。 【圖式簡單說明】 藉由查閱以下各圖可更好地理解本發明之各種態樣及特 徵’該等圖中： 圖1 A係泛用電荷泵内之充電半循環之一簡化電路圖； 圖1B係一泛用電荷泵内之傳送半循環之一簡化電路圖； 圖2係一經調節電荷泵之一頂層方塊圖； 〇 圖3圖解說明-可能的讀取干擾可如何自在其恢復階段 期間具有太迅速之一斜升率之一電荷泵發生； 、圖4圖解說明確定一電荷泵系統内之恢復時間之一方 圖5顯示— 圖6顯示_ 些組件。 電荷泵之時鐘率之微調之一例示性流程；及 可微調電荷泵系統之一例示性實施例中之某 【主要元件符號說明】

1 電容器 201 203 301 303 305 311 313 315 電荷泵 凋節器/調節器區塊 基板 選擇電晶體/選擇閘極 選擇電晶體/選擇閘極 浮動閘極Ί；晶體/記憶體單元/未選單元 序動閘極晶體/記憶體單元/未選單元 汙動閘極電晶體/記憶體單元/未選單元 145074,doc MS. 201042894 317 浮動閘極電晶體/記憶體單元/未選單元 321 浮動閘極電晶體/單元/所選單元 601 泵 603 調節器

605 時鐘CLK 607 比較/計數元件（比較/計數區塊） 609 暫存器 145074.doc -16-

Claims (1)

1. 201042894 七、申請專利範圍： 1. -種為包含一時鐘及一電荷泵之―電 鐘之一頻率之方法，該方法包括：7 7系统設定該時 為該時鐘之該頻率設定一初始值； 在使用㈣初始頻率值運行❹時鐘 統時，確定該電荷泵在—恢復階 錢荷粟系 斜升率；及 S t —輪出電壓之 Ο 基於該所確定之斜升率，隨後調整 使得該電荷泵在該恢復階段 之該頻率以 率落入不超過-最大速率之一範圍内玄輪出電遷之該斜升 2. 如凊求们之方法，其中調整該 高於-最小速率。 料以使得該範圍 3. 如請求们之方法，其中確定 間之該輸出恢復階段期 到一參考值之時鐘《之數Γ 讀出《需要達 Ο 4. 如請求们之方法，其中在該電 發性朝· τ1· 系、先内包含一非揮 括：存器’其值支配該時鐘頻率，該方法進一步包 根據該經調整之時鐘頻率設定該暫存器值。 程之、員1之方法，其中將該方法執行為-初始微調過 枉之一部分。 :求項1之方法’其中確定該斜升率包含_· 維持對時鐘循環之該數目之一計數；及 確定該輸出電壓達到一參考位準時該計數之該值。 145074.doc 201042894 7.如清求項〗之方法，其中調整該頻率包含： 執行該頻率之一第一調整.； :使用以該第'經調整之頻率值運行之該時 何泵系統時，確定該電荷泵在-恢復階段" 出電壓之該斜升率；及 之該輸 進—步調整該時鐘之該頻率。 虫叫求項1之方法，其中調整兮萌t > a 率。 乃…員率包含增加該時鐘頻 9·如請求項】之方法，其中 率。 頻率包含減小該時鐘頻 10.如明求項!之方法，其中該電 元件，該枝進-步包括： 4上之-週邊 在調整該時鐘之^r嘀t 至之該值綱敕該時鐘頻率所調整 n亥電路上之一個或多個運作參數。 u.種-电何泵系統，其包括： ^鐘電路’其用以提供-時鐘信號； -電荷泵，其用以提供一輪出電屢 以接收該時鐘h U β何泵經連接 Τ4就且以其頻率運作； 5周節器電路，甘 r ^ /、、、坐連接以接收該輸出電壓且向节+ =該輸出電壓導出之-調節電壓； 應於該暫存器值:、：可5又疋值’其中該時鐘頻率係回 計數與比較雷 鐘信號且自其可連接以接收該輸出電壓及該時 /、.疋該電荷泵用以自一重設值恢復至— 145074.doc 201042894 預定值之時鐘循環之數目。 i2.如請求項η之電荷泵系統，其中該電荷泵用以恢復之時 鐘循環之該數目係可自外部存取至該電荷泵系統且該暫 存盗值係可自外部設定至該電荷泵系統。 13·如請求項11之電荷泵系統，其進一步包括·· 邏輯電路，其可連接以接收該電荷泵用以恢復之時鐘 Ο 循％之該數目，確定該電荷泵在恢復期間之斜升率且回 應於該斜升率調整該等暫存器值。 14.如π求項丨丨之電荷泵系統其中該電荷泵係—非揮發性 s己憶體晶片上之一週邊電路。 Ο 145074.doc