[發(fā)明專利]半導(dǎo)體集成電路器件及襯底偏置控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710096039.8
• 申請(qǐng)日: 2007-04-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101056103A
• 公開(kāi)（公告）日: 2007-10-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 成竹功夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 恩益禧電子股份有限公司
• 主分類號(hào): H03K19/20
• 分類號(hào): H03K19/20;H03K17/30;H01L27/02;H01L27/04;H01L27/092
• 代理公司: 中原信達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 黃啟行;陸錦華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及適于控制晶體管的襯底偏置的襯底偏置控制方法以及利用該控制方法控制襯底偏置的半導(dǎo)體集成電路器件。

背景技術(shù)

近些年來(lái)，由電池供電的終端如蜂窩電話和移動(dòng)信息裝置的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，并且具有低功耗的內(nèi)置半導(dǎo)體集成電路不斷發(fā)展。目前，已通過(guò)降低電源電壓來(lái)降低功耗。因此，盡管降低了操作速度，但是現(xiàn)已通過(guò)降低晶體管的閾值電壓增加導(dǎo)通電流(ON-current)，來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的操作速度。但是，隨著半導(dǎo)體進(jìn)一步精細(xì)化和操作速度變得更高，泄漏電流也隨之增加。因此，泄漏電流在半導(dǎo)體集成電路內(nèi)流動(dòng)而與其操作無(wú)關(guān)，并且構(gòu)成了半導(dǎo)體集成電路的功耗的相當(dāng)大的一部分。因此，為了降低半導(dǎo)體集成電路的功耗，限制晶體管的泄漏電流是有效的。已知，晶體管的泄漏電流和導(dǎo)通電流有關(guān)。也就是說(shuō)，由于導(dǎo)通電流與泄漏電流的對(duì)數(shù)值成比例，因此限制泄漏電流也就同時(shí)限制了導(dǎo)通電流。

例如，公開(kāi)號(hào)為JP2003-142598A的日本專利申請(qǐng)公開(kāi)了這樣一種技術(shù)，其適于通過(guò)控制晶體管的阱偏(well?bias)，來(lái)同時(shí)對(duì)因制造工藝和溫度變化而引起的電路操作速度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，和對(duì)P溝道晶體管和N溝道晶體管之間閾值電壓的差進(jìn)行補(bǔ)償。圖1是示出這一常規(guī)半導(dǎo)體集成電路的結(jié)構(gòu)的框圖。如圖1中所示，該半導(dǎo)體集成電路包括延遲監(jiān)控電路51、比較電路52、PN平衡補(bǔ)償電路53以及阱偏置控制電路55。延遲監(jiān)控電路51把輸入時(shí)鐘延遲，并輸出延遲了的時(shí)鐘。比較電路52將輸入時(shí)鐘與延遲了的時(shí)鐘進(jìn)行比較。NP平衡補(bǔ)償電路53檢測(cè)P溝道晶體管和N溝道晶體管之間的閾值電壓差。阱偏置控制電路55通過(guò)利用加法器56將PN平衡補(bǔ)償電路53的輸出反映在比較電路52的輸出上，來(lái)控制晶體管的阱偏。

下面參考圖2具體說(shuō)明該半導(dǎo)體集成電路的偏置控制方法。圖2是用于解釋該傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電路的操作的圖。該圖主要示出了該半導(dǎo)體集成電路的元件特性。垂直軸示出P溝道晶體管的導(dǎo)通電流Ionp，而水平軸示出了N溝道晶體管的導(dǎo)通電流Ionn。被交替的長(zhǎng)和短劃線1包封的區(qū)域表示導(dǎo)通電流的允許范圍。交替的長(zhǎng)和短劃線1內(nèi)側(cè)中的區(qū)域表示允許的導(dǎo)通電流的特性，也就是，允許的泄漏電流的特性。該區(qū)域根據(jù)制造工藝和操作要求如電源電壓而定。

利用一指標(biāo)，以實(shí)線2來(lái)表示N溝道晶體管和P溝道晶體管的延遲值的基準(zhǔn)，該指標(biāo)(index)是N溝道晶體管的導(dǎo)通電流Ionn和P溝道晶體管的導(dǎo)通電流Ionp的總值。下文中，將實(shí)線2所表示的特性稱作延遲監(jiān)控目標(biāo)。優(yōu)選的，導(dǎo)通電流Ionn和導(dǎo)通電流Ionp的總值接近于延遲監(jiān)控目標(biāo)2。

示出了導(dǎo)通電流Ionn和導(dǎo)通電流Ionp之間的平衡的指標(biāo)由虛線3表示。下文中，將虛線3稱作PN平衡監(jiān)控目標(biāo)。優(yōu)選的，導(dǎo)通電流Ionn和導(dǎo)通電流Ionp接近于該P(yáng)N平衡監(jiān)控目標(biāo)3。因此，優(yōu)選的，導(dǎo)通電流Ionn和導(dǎo)通電流Ionp最接近于延遲監(jiān)控目標(biāo)2和PN平衡監(jiān)控目標(biāo)3的交點(diǎn)。

以點(diǎn)911所指示的特性表示導(dǎo)通電流的和(Ionn+Ionp)大于延遲監(jiān)控目標(biāo)2，以及N溝道晶體管和P溝道晶體管的延遲值比基準(zhǔn)值短(操作速度更快)。另外，由于點(diǎn)911偏離了PN平衡監(jiān)控目標(biāo)3，因此點(diǎn)911所示的特性表示導(dǎo)通電流Ionn和導(dǎo)通電流Ionp不平衡。在此情況下，其表示與P溝道晶體管相比，N溝道晶體管的閾值電壓被偏置到相對(duì)較低的閾值電壓。

當(dāng)控制晶體管的阱偏時(shí)，點(diǎn)911所示的特性變成點(diǎn)912所示的特性。參考特性上的這一轉(zhuǎn)變，如箭頭921所示的沿PN平衡監(jiān)控目標(biāo)3變化的調(diào)整量對(duì)應(yīng)于N溝道晶體管和P溝道晶體管兩者的阱偏的電壓的調(diào)整量。而且，由于N溝道側(cè)上的閾值電壓被偏置成較低的電壓，因而調(diào)整了如箭頭922所示的僅導(dǎo)通電流Ionn上變化的調(diào)整量。這對(duì)應(yīng)于由于N溝道晶體管的阱偏的電壓上升而引起的調(diào)整量。通過(guò)這一調(diào)整，發(fā)現(xiàn)N溝道晶體管和P溝道晶體管的導(dǎo)通電流變得接近于延遲監(jiān)控目標(biāo)2與PN平衡監(jiān)控目標(biāo)3的交點(diǎn)，使得將給出更恰當(dāng)?shù)内迤?/p>

然而，類似的，利用如箭頭961和962所示的調(diào)整量，將點(diǎn)951所示的特性調(diào)整到點(diǎn)952所示的特性。在此情況下，點(diǎn)952所示的特性在導(dǎo)通電流的允許范圍外。這是因?yàn)楸M管點(diǎn)952達(dá)到延遲監(jiān)控目標(biāo)2，但是點(diǎn)952在導(dǎo)通電流的允許范圍1之外。

如上所述，根據(jù)上述技術(shù)，當(dāng)控制襯底偏置時(shí)，存在N溝道晶體管和P溝道晶體管的導(dǎo)通電流偏離導(dǎo)通電流(泄漏電流)的允許范圍的可能性。設(shè)置制造要求使得對(duì)于晶體管所允許的導(dǎo)通電流和泄漏電流在特定范圍內(nèi)。導(dǎo)致產(chǎn)生偏離該允許范圍的導(dǎo)通電流和泄漏電流的襯底偏置的施加，可能會(huì)影響晶體管的失效率等。