電平位移器及包括該電平位移器的半導體集成電路的製作方法

2023-09-12 19:49:30 1

專利名稱：電平位移器及包括該電平位移器的半導體集成電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種安裝在具有不同的電源電壓的半導體集成電路中的電平位移器，特別是涉及一種具有絕緣擊穿電壓和閾值電壓互不相同的電晶體，並且適用於通過細微製造工藝製造出的半導體集成電路的電平位移器。
背景技術：
近年來，在一個半導體集成電路中混合安裝有模擬電路和數字電路，並且半導體集成電路有多功能化的趨勢。在 半導體集成電路中，包括很多模擬電路的接口部分的電源電壓(輸入/輸出電壓)為2. 5V或3. 3V左右,相對於此,數字電路的電源電壓(核心電壓)逐漸低電壓化，已降到I. IV左右。也就是說，近年來的半導體集成電路一般具有不同的電源電壓。因此，需要電平位移器，該電平位移器用來將從進行低電壓工作的功能塊輸出且電壓振幅低的信號轉換成電壓振幅高的信號，並將該轉換後的信號傳遞給進行高電壓工作的電路。作為現有電平位移器有下述電平位移器，即用進行低電壓工作的反相電路對電壓振幅低的輸入脈衝信號進行邏輯反轉，再用動作彼此相反的兩個電平位移器對由該反相電路的輸入信號和輸出信號構成且電壓振幅低的互補脈衝信號分別進行電平位移，由此達成高速工作和低功耗工作(參照例如專利文獻I)。還有下述電平位移器，即不是設置用來對電壓振幅低的輸入脈衝信號進行邏輯反轉的、進行低電壓工作的反相電路，而是除去電壓振幅低的輸入脈衝信號的直流成分，再用輸入和輸出已短路且進行高電壓工作的反相電路向該已除去直流成分的信號施加偏壓，然後將該已施加偏壓的信號輸入給構成進行高電壓工作的反相電路的P溝道型電晶體和N溝道型電晶體的各個柵極(參照例如專利文獻2)。專利文獻I :日本公開特許公報特開2004-40262號公報專利文獻2 :日本公開特許公報特開2003-110419號公報

發明內容
-發明所要解決的課題-出於防止電晶體特性惡化的觀點，在45nm製造工藝一代以後的細微製造工藝中受到下述設置上的制約，即當設置包括進行低電壓工作的電晶體中絕緣擊穿電壓低且閾值電壓低(0.3V 0.4V左右)的電晶體的電路時，一定要使其溝道方向即漏極、柵極和源極的排列方向統一為同一方向。因為在例如專利文獻I中的電平位移器中，對電壓振幅低的輸入脈衝信號進行邏輯反轉的反相電路與在數字電路中使用的電晶體一樣由絕緣擊穿電壓低且閾值電壓低的電晶體構成，所以該電平位移器在細微製造工藝中受到設置上的制約。因此，當該電平位移器的電路圖案呈長方形時，即使在半導體集成電路中存在若讓該電路圖案旋轉90°則能夠設置該電路圖案的空置區域，也不能夠進行上述旋轉設置，不能夠有效地利用半導體集成電路的空置區域。
另一方面，即使採用不會受到設置上的制約的高閾值電壓電晶體以代替低閾值電壓電晶體，用該高閾值電壓電晶體構成該反相電路，該電平位移器也不會正常地工作。因此，若要做到能夠有效地利用半導體集成電路的空置區域，就需要關於該電平位移器準備使低閾值電壓電晶體的溝道方向旋轉90°而構成的其他電路圖案，但是這會成為設計工時增加的原因。低閾值電壓電晶體還有漏電流比較大、特性由於來自高電壓電源的反衝現象(kickback)等而隨時間的推移惡化等問題。特別是因為該電平位移器是通過在高電壓電路的結構上進行改良來實現高速化和低功耗化的，所以低電壓電路的特性惡化直接影響到電平位移器的高速工作性。相對於此，例如專利文獻2中的電平位移器不用低閾值電壓電晶體構成，因而難以出現設置上的制約的問題、以及漏電流或特性隨時間的推移惡化等問題。然而，因為該電平位移器需要用來除去電壓振幅低的輸入脈衝信號的直流成分的電容元件，所以有電路規模會增大的問題。因為在該電平位移器中使進行高電壓工作的反相電路的輸入和輸出短路 來生成偏壓，所以也有直通電流總是流經該反相電路，使得消耗電流增大的問題。本發明正是鑑於以上問題而完成的。其目的在於提供一種能夠在細微製造工藝中自由設置、電路規模和功耗小並且難以隨時間的推移惡化的電平位移器。-用於解決課題的技術方案-例如，將電壓振幅低的輸入脈衝信號轉換成電壓振幅高的信號的電平位移器，包括低電壓電路和高電壓電路，該低電壓電路由輸入脈衝信號生成電壓振幅低的互補脈衝信號，該高電壓電路根據互補脈衝信號生成電壓振幅高的脈衝信號。在此，低電壓電路具有多個反相電路和至少一個電阻性開關電路，該反相電路主要由高閾值電壓電晶體構成，多個該反相電路級聯在一起，該電阻性開關電路連接在多個所述反相電路中的至少一個反相電路的輸入和輸出之間，在導通時作為電阻工作。根據上述結構，通過電阻性開關電路成為導通狀態，低電壓電路中的至少一個反相電路就會作為放大電路工作，因而能夠將電壓振幅低的輸入脈衝信號放大到達到主要由高閾值電壓電晶體構成的反相電路的閾值電壓的程度。因此，即使低電壓電路中的反相電路主要由高閾值電壓電晶體構成，該電平位移器也能夠將電壓振幅低的輸入脈衝信號轉換成電壓振幅高的信號。低電壓電路也可以具有多個電阻性開關電路。在該情況下，也可以是這樣的，即能夠對多個電阻性開關電路進行彼此獨立的控制。-發明的效果-根據本發明，不使用低閾值電壓電晶體即能夠構成電平位移器，所以能夠做到不會受到細微製造工藝中的設置上的制約。因為在電平位移器中也不使用用來除去輸入脈衝信號的直流成分的電容元件，所以能夠使電平位移器的電路規模較小。再加上，因為使用高閾值電壓電晶體，所以漏電流會減少，特性由於來自高電壓電源的反衝現象等而隨時間的推移惡化的現象也會得以抑制。


圖I是第一實施方式所涉及的電平位移器的電路結構圖。
圖2是低電壓電路中的反相電路的電路結構圖。圖3是顯示低電壓電路的變形例的圖。圖4是第二實施方式所涉及的電平位移器的電路結構圖。圖5是顯示將電平位移器設置在半導體集成電路中的設置例的圖。
具體實施例方式(第一實施方式)圖I示出第一實施方式所涉及的電平位移器的電路結構。本實施方式所涉及的電平位移器由低電壓電路10和高電壓電路20構成，該低電壓電路10由電壓振幅低的輸入脈衝信號IN_L生成電壓振幅低的互補脈衝信號0UT_L，該高電壓電路20根據信號0UT_L生成 電壓振幅高的脈衝信號0UT_H。在低電壓電路10中，兩個反相電路11級聯在一起。信號IN_L輸入給位於前級的反相電路11，位於後級的反相電路11的輸入和輸出成為信號0UT_L。如圖2所示，反相電路11由串聯在低電壓電源VDDL和低電壓接地VSSL之間的P溝道型電晶體111和N溝道型電晶體112構成。應予說明，該電晶體111、112是不會受到設置上的制約的高閾值電壓
電晶體。再看圖1，在位於前級的反相電路11的輸入和輸出之間連接有電阻性開關電路
12。電阻性開關電路12受到控制信號CTL的開關控制，在處於導通狀態時作為電阻工作。電阻性開關電路12能夠由如附圖所示的串聯在一起的開關元件121和電阻元件122構成，除此之外，電阻性開關電路12還能夠由在處於導通狀態時具有溝道電阻的P溝道型電晶體或N溝道型電晶體、或者傳輸門等構成。應予說明，構成電阻性開關電路12的電晶體也是不會受到設置上的制約的高閾值電壓電晶體。在高電壓電路20中，N溝道型電晶體21、22的源極與高電壓接地VSSH連接，柵極與信號0UT_L連接。P溝道型電晶體23、24的源極與高電壓電源VDDH連接。N溝道型電晶體21、22的漏極和P溝道型電晶體23、24的漏極相連接，N溝道型電晶體22、21的漏極和P溝道型電晶體23、24的柵極相連接。對P溝道型電晶體24和N溝道型電晶體22的連接點的電壓進行邏輯反轉而生成的就是信號OUTJL以下，對如上所述構成的電平位移器的工作情況加以說明。當信號IN_L為L電平時，位於後級的反相電路11的輸入為H電平，位於後級的反相電路11的輸出為L電平，N溝道型電晶體21成為導通狀態。由此，高電壓接地VSSH施加在柵極上的P溝道型電晶體24成為導通狀態，P溝道型電晶體24和N溝道型電晶體22的連接點的電壓成為高電壓電源VDDH即H電平。其結果是，信號0UT_H確定為將P溝道型電晶體24和N溝道型電晶體22的連接點的邏輯反轉而成的電平即L電平。另一方面，當信號IN_LS與低電壓電源相同的電壓振幅即H電平時，各個反相電路和各個電晶體進行與上述相反的工作，信號0UT_H確定為H電平。在此，當信號IN_L躍變時，使電阻性開關電路12導通。因為電阻性開關電路12 —成為導通狀態就起到電阻的作用，所以由位於前級的反相電路11和電阻性開關電路12構成的電路部分作為放大電路工作。由此，信號IN_L放大到達到位於後級的反相電路11的閾值電壓的程度，並輸入給位於後級的反相電路11。因此，即使反相電路11主要由高閾值電壓電晶體構成，該電平位移器也能夠將電壓振幅低的輸入脈衝信號IN_L轉換成電壓振幅聞的"[目號。應予說明，當電阻性開關電路12處於導通狀態時，雖然直通電流流經位於前級的反相電路11，但是該反相電路以低電壓驅動，並且該反相電路主要由高閾值電壓電晶體構成，因而與由絕緣擊穿電壓低且閾值電壓低的電晶體構成反相電路的情況相比其功耗更少。通過使用高閾值電壓電晶體，漏電流就會減少，而且特性由於來自高電壓電源的反衝現象等而隨時間的推移惡化的現象也會得以抑制。當電阻性開關電路12處於導通狀態時，雖然電流從低電壓電源或接地經電阻性開關電路12流入信號IN_L的輸入側電路(未圖示)中，但是通過確保電阻性開關電路12的電阻值足夠大，則能夠將該電流減少到可以不考慮的量。構成低電壓電路10的反相電路11的個數並不限於兩個。電阻性開關電路12的個數也並不限於一個。例如，可以如圖3所示構成低電壓電路10。也就是說，構成為將許多反相電路11級聯在一起，並根據輸入脈衝信號IN_L輸出互補脈衝信號0UT_L的結構即可。 電阻性開關電路12隻要連接在至少一個反相電路11的輸入和輸出之間即可。當存在多個電阻性開關電路12時，可以利用共用的控制信號CTL對該多個電阻性開關電路12進行同樣的控制，也可以對多個電阻性開關電路12進行彼此獨立的控制。使電阻性開關電路12導通還是不導通，以及當使其導通時使幾個電阻性開關電路12導通，這根據信號IN_L的頻率、高電壓電路20的輸入阻抗等決定即可。也就是說，當信號爪_1的頻率高或高電壓電路20的輸入阻抗較大時，為了進一步增大放大能力，使更多的電阻性開關電路12導通。另一方面，當信號IN_L的頻率低或高電壓電路20的輸入阻抗較小時，使導通的電阻性開關電路12的個數較少，進而也可以看情況使所有電阻性開關電路12成為非導通狀態。(第二實施方式)在第一實施方式所涉及的電平位移器中，在以省電等目的使低電壓電路10的工作停止後，信號0UT_L的阻抗會增高，信號0UT_H會成為不定值。於是，實現即使低電壓電路10的工作停止也能夠保持信號0UT_H的高電壓電路。圖4顯示第二實施方式所涉及的電平位移器的電路結構。本實施方式所涉及的電平位移器包括結構與第一實施方式不同的高電壓電路20A。以下,對第二實施方式與第一實施方式的區別加以說明。在高電壓電路20A中，N溝道型電晶體21、22的柵極與信號0UT_L連接，在該N溝道型電晶體21、22的各個漏極之間連接有電阻性元件25。電阻性元件25能夠由高電壓接地VSSH施加在柵極上的P溝道型電晶體構成，也能夠由高電壓電源VDDH施加在柵極上的N溝道型電晶體或電阻元件等構成。N溝道型電晶體21、22的漏極與開關電路26連接。開關電路26利用高電壓電源VDDH對N溝道型電晶體21、22的各個漏極進行預充電。開關電路26能夠由連接在N溝道型電晶體21、22的各個漏極和高電壓電源VDDH之間的兩個P溝道型電晶體構成。N溝道型電晶體21、22的源極與開關電路27連接。開關電路27當對N溝道型電晶體21、22進行預充電時切斷直通電流，以不讓電流流向接地。開關電路27能夠由連接在N溝道型電晶體21、22的各個源極和高電壓接地VSSH之間的兩個N溝道型電晶體構成。
置位復位鎖存電路28，以N溝道型電晶體21、22的各漏極電壓為輸入，當兩漏極電壓為H電平時保持輸出狀態，若任一漏極電壓躍變到L電平，其輸出就變化。將置位復位鎖存電路28的輸出的邏輯反轉而生成的信號就是信號OUTJL置位復位鎖存電路28的非反轉輸出和反轉輸出成為開關電路26、27的控制信號。也就是說，開關電路26、27根據置位復位鎖存電路28的輸出如下所述工作，即當使N溝道型電晶體21、22中的任一個N溝道型電晶體的漏極與高電壓電源VDDH連接且使該一個N溝道型電晶體的源極與高電壓接地VSSH切斷時，使N溝道型電晶體21、22中的另一個N溝道型電晶體的源極與高電壓接地VSSH連接且使該另一個N溝道型電晶體的漏極與高電壓電源VDDH切斷。
高電壓電路20A的工作情況如下。當低電壓電路10工作時，N溝道型電晶體21、22中的任一個N溝道型電晶體根據信號IN_L的躍變成為導通狀態，該N溝道型電晶體的漏極電壓暫時成為高電壓接地VSSH即L電平。因此，置位復位鎖存電路28的輸出變化，信號0UT_H躍變。因為N溝道型電晶體21、22的各個漏極之間經電阻性元件25已短路，所以已成為導通狀態的N溝道型電晶體的漏極電壓再次成為H電平，置位復位鎖存電路28保持輸出狀態。在該狀態下，即使信號0UT_L的阻抗增高，置位復位鎖存電路28的輸出狀態也不會變化。因此，即使低電壓電路10停止工作，也能夠保持信號OUTJL如上所述，因為第一和第二實施方式所涉及的電平位移器不使用受到設置上的制約的低閾值電壓電晶體而構成，所以當進行半導體集成電路的平面布置時，能夠將以上電平位移器自由旋轉並設置在該半導體集成電路中。圖5顯示將電平位移器設置在半導體集成電路中的設置例。電平位移器2是第一和第二實施方式中的任一實施方式所涉及的電平位移器，假設為其電路圖案呈長方形。半導體集成電路I是通過細微製造工藝製造出的電路，假設為在該半導體集成電路I的有些地方存在空置區域3。因為電平位移器2不會受到設置上的制約，所以能夠應對空置區域3適當地將電平位移器2旋轉並設置在該空置區域3。因此，能夠有效地利用晶片面積。-產業實用性- 本發明所涉及的電平位移器作為下述電路構成要素很有用，該電路構成要素在通過細微製造工藝製造出且要求面積小、功耗低的半導體集成電路中，在以不同的電源電壓工作的多個電路之間傳輸信號。-符號的說明-I-半導體集成電路；2_電平位移器；3_空置區域；10_低電壓電路；11_反相電路；12-電阻性開關電路；121-開關元件；122-電阻元件；20_高電壓電路；20A-高電壓電路；21-N溝道型電晶體(第一 N溝道型電晶體)；22-N溝道型電晶體(第二 N溝道型電晶體)；23-P溝道型電晶體(第一 P溝道型電晶體)；24-P溝道型電晶體(第二 P溝道型電晶體)；25-電阻性元件；26-開關電路(第一開關電路)；27_開關電路(第二開關電路)；28_置位復位鎖存電路。
權利要求
1.一種電平位移器,該電平位移器將電壓振幅低的輸入脈衝信號轉換成電壓振幅高的信號，其特徵在幹 該電平位移器包括 低電壓電路，該低電壓電路由所述輸入脈衝信號生成電壓振幅低的互補脈衝信號；和 高電壓電路，該高電壓電路根據所述互補脈衝信號生成電壓振幅高的脈衝信號， 所述低電壓電路具有 多個反相電路，該反相電路主要由高閾值電壓電晶體構成，多個該反相電路級聯在ー起；和 至少ー個電阻性開關電路，該電阻性開關電路連接在多個所述反相電路中的至少ー個反相電路的輸入和輸出之間，在導通時作為電阻工作。
2.根據權利要求I所述的電平位移器，其特徵在於 所述低電壓電路具有多個所述電阻性開關電路， 能夠對多個所述電阻性開關電路進行彼此獨立的控制。
3.根據權利要求I所述的電平位移器，其特徵在於 所述電阻性開關電路具有串聯在一起的開關元件和電阻元件。
4.根據權利要求I所述的電平位移器，其特徵在於 所述電阻性開關電路是根據輸入給柵極的控制信號進行開關工作的電晶體。
5.根據權利要求I所述的電平位移器，其特徵在幹 所述聞電壓電路具有 第一 N溝道型電晶體和第二 N溝道型電晶體，該第一 N溝道型電晶體和該第二 N溝道型電晶體的源極與高電壓接地連接，柵極與所述互補脈衝信號一一對應地連接；以及 第一 P溝道型電晶體和第二 P溝道型電晶體，該第一 P溝道型電晶體和該第二 P溝道型電晶體的源極與高電壓電源連接，漏極與所述第一 N溝道型電晶體和所述第二 N溝道型電晶體的漏極一一對應地連接，柵極與所述第二 N溝道型電晶體和所述第一 N溝道型電晶體的漏極一一對應地連接。
6.根據權利要求I所述的電平位移器，其特徵在幹 所述聞電壓電路具有 第一 N溝道型電晶體和第二 N溝道型電晶體，該第一 N溝道型電晶體和該第二 N溝道型電晶體的柵極與所述互補脈衝信號一一對應地連接； 電阻性元件，該電阻性元件連接在所述第一 N溝道型電晶體的漏極和所述第二 N溝道型電晶體的漏極之間； 第一開關電路，該第一開關電路對所述第一 N溝道型電晶體及所述第二 N溝道型電晶體的各個漏極和高電壓電源的連接與否進行切換； 第二開關電路，該第二開關電路對所述第一 N溝道型電晶體及所述第二 N溝道型電晶體的各個源極和高電壓接地的連接與否進行切換；以及 置位復位鎖存電路，該置位復位鎖存電路以所述第一 N溝道型電晶體和所述第二 N溝道型電晶體的各漏極電壓為輸入， 所述第一開關電路和所述第二開關電路，根據所述置位復位鎖存電路的輸出，當使所述第一 N溝道型電晶體和所述第二 N溝道型電晶體中的任ー個N溝道型電晶體的漏極與高電壓電源連接且使該一個N溝道型電晶體的源極與高電壓接地切斷時，使所述第一 N溝道型電晶體和所述第二N溝道型電晶體中的另一個N溝道型電晶體的源極與高電壓接地連接且使該另一個N溝道型電晶體的漏極與高電壓電源切斷。
7.一種半導體集成電路，其特徵在於 所述半導體集成電路包括權利要求I所述的電平位移器。
全文摘要
本發明公開了一種電平位移器及包括該電平位移器的半導體集成電路。將電壓振幅低的輸入脈衝信號轉換成電壓振幅高的信號的電平位移器，包括低電壓電路(10)和高電壓電路(20)，該低電壓電路(10)由輸入脈衝信號生成電壓振幅低的互補脈衝信號，該高電壓電路(20)根據互補脈衝信號生成電壓振幅高的脈衝信號。低電壓電路(10)具有多個反相電路(11)和至少一個電阻性開關電路(12)，該反相電路(11)主要由高閾值電壓電晶體構成，多個該反相電路(11)級聯在一起，該電阻性開關電路(12)連接在多個反相電路(11)中的至少一個反相電路(11)的輸入和輸出之間，在導通時作為電阻工作。
文檔編號H03K19/0185GK102859877SQ20108006652
公開日2013年1月2日 申請日期2010年12月7日 優先權日2010年5月24日
發明者松下剛 申請人:松下電器產業株式會社