本發(fā)明涉及集成電路，特別涉及半導(dǎo)體存儲器和可編程邏輯器件。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體存儲器在當(dāng)今的信息社會中發(fā)揮著極其重要的作用，但當(dāng)半導(dǎo)體存儲器應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，長期處于輻射環(huán)境下，其絕緣層(主要是氧化層)中會不斷積累氧化物陷阱電荷和界面態(tài)電荷，這種累積效應(yīng)會引起半導(dǎo)體器件性能的退化，該現(xiàn)象就被稱為電離輻射總劑量(Total Ionizing Dose,TID)效應(yīng)?？倓┝啃?yīng)會帶來諸多不利影響，包括MOS晶體管的閾值電壓漂移、遷移率下降、漏電流增加等。盡管隨著工藝的進(jìn)步，柵氧化層越來越薄，但對于那些仍然需要較高電壓進(jìn)行擦除或者編程操作的半導(dǎo)體存儲器，如EPROM，EEPROM，F(xiàn)LASH等，仍需要較厚柵氧化層的MOS晶體管以提高其耐壓能力，然而電離輻射損傷與柵氧化層厚度的平方成正比，由于總劑量效應(yīng)引起的MOS晶體管閾值電壓的漂移，尤其是NMOS晶體管閾值電壓的負(fù)向漂移，可能導(dǎo)致上述半導(dǎo)體存儲單元的錯(cuò)誤編程、擦除或者讀取，從而導(dǎo)致整個(gè)器件的功能異常甚至失效。

雙柵CMOS場效應(yīng)晶體管能較好的均衡耐高壓和抗總劑量效應(yīng)。但是薄柵管的柵極長時(shí)間施加高電壓會嚴(yán)重影響其使用壽命，甚至可能導(dǎo)致柵極擊穿而造成永久性失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供幾種為雙柵MOS場效應(yīng)晶體管分壓的結(jié)構(gòu)，用以減小施加到薄柵管柵極上的電壓，提高雙柵MOS場效應(yīng)管的可靠性，延長其使用壽命。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：

幾種高壓抗總劑量雙柵MOS管的分壓結(jié)構(gòu)，其特征在于，在雙柵MOS管的基礎(chǔ)上，通過分壓結(jié)構(gòu)減小施加在薄柵管上的電壓。

具體的說，通過采用兩個(gè)串聯(lián)的PMOS場效應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)電壓的分壓，減小施加到薄柵管柵極上的電壓。

另外，還有串聯(lián)兩個(gè)NMOS場效應(yīng)晶體管、串聯(lián)兩個(gè)二極管和串聯(lián)兩個(gè)電阻的方案可供選擇。

幾種可供選擇方案的核心思想根串聯(lián)兩個(gè)PMOS場效應(yīng)晶體管一致。均是通過串聯(lián)分壓的方式來實(shí)現(xiàn)在薄柵管上施加更小的柵極電壓，防止其因?yàn)闁艠O電壓過高而過早的被擊穿，致使其使用壽命縮短。

本發(fā)明的效益是，能夠使雙柵MOS場效應(yīng)晶體管在耐高壓的前提下具有較強(qiáng)的抗總劑量特性，而且雙柵結(jié)構(gòu)中的薄柵場效應(yīng)晶體管也不會因?yàn)槭┘恿诉^高的柵極電壓而導(dǎo)致其壽命的縮短。該工藝與傳統(tǒng)COMS工藝兼容，很容易實(shí)施。

附圖說明

圖1為PMOS分壓結(jié)構(gòu)與雙柵MOS反相器連接關(guān)系的原理圖

圖2為NMOS分壓結(jié)構(gòu)與雙柵MOS反相器連接關(guān)系的原理圖

圖3為二極管分壓結(jié)構(gòu)與雙柵MOS反相器連接關(guān)系的原理圖

圖4為電阻分壓結(jié)構(gòu)與雙柵MOS反相器連接關(guān)系的原理圖

圖5a為具有PMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線

圖5b為具有PMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線

圖6a為具有NMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線

圖6b為具有NMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線

圖7a為具有低閾值NMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線

圖7b為具有低閾值NMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線

圖8a為具有二極管分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線

圖8b為具有二極管分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線

圖9a為具有電阻分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線

圖9b為具有電阻分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了幾種高壓抗總劑量雙柵MOS管的分壓結(jié)構(gòu)，其中串聯(lián)兩個(gè)PMOS場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的具體連接方式如圖1所示。從圖中可以看出，本發(fā)明是采用兩個(gè)PMOS場效應(yīng)晶體管串聯(lián)而成的分壓結(jié)構(gòu)。兩個(gè)PMOS晶體管都進(jìn)行柵、源和襯底三者的短接。其中分壓結(jié)構(gòu)中的M11的源極直接與輸入信號相連，M12的源極與M11的漏極相連，M12的漏極接地。雙柵管的厚柵管(M0和M1)的柵極直接與輸入端相連接，薄柵管(M2)的柵極連接到M11和M12的中間節(jié)點(diǎn)A1。因?yàn)镸11和M12一直處于關(guān)斷狀態(tài)，故該結(jié)構(gòu)不會造成太多的額外功耗。可以通過調(diào)節(jié)M11和M12的寬長比來調(diào)節(jié)工作時(shí)分壓節(jié)點(diǎn)A1的電壓值。

圖2是串聯(lián)的兩個(gè)NMOS場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的具體連接方式。兩個(gè)NMOS場效應(yīng)晶體管都進(jìn)行了柵、源和襯底三者都進(jìn)行了短接。其中分壓結(jié)構(gòu)中的M21的漏極直接與輸入信號相連，M22的漏極與M21的源極相連，M22的源極接地。雙柵管的厚柵管(M0和M1)的柵極直接與輸入端相連接，薄柵管(M2)的柵極連接到M21和M22的中間節(jié)點(diǎn)A2。因?yàn)镸21和M22一直處于關(guān)斷狀態(tài)，故該結(jié)構(gòu)不會造成太多的額外功耗?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)M21和M22的寬長比來調(diào)節(jié)工作時(shí)分壓節(jié)點(diǎn)A2的電壓值。

圖3是串聯(lián)兩個(gè)二極管結(jié)構(gòu)的具體連接方式。其中，二極管D0的負(fù)極直接與輸入信號相連，正極與二極管D1的負(fù)極相連接。二極管D1的正極接地。雙柵管的厚柵管(M0和M1)的柵極直接與輸入端相連接，薄柵管(M2)的柵極連接到D0和D1的中間節(jié)點(diǎn)A3。同MOS結(jié)構(gòu)，因?yàn)镈0和D1處于反偏狀態(tài)，所以系統(tǒng)工作時(shí)，該結(jié)構(gòu)帶來的額外靜態(tài)功耗的消耗很小。當(dāng)信號發(fā)生變化是會有一定的電流流過，該電流持續(xù)時(shí)間短暫。該結(jié)構(gòu)比MOS分壓結(jié)構(gòu)更節(jié)省芯片面積。同樣可以通過條件D0和D1的寬長比來調(diào)節(jié)工作時(shí)分壓節(jié)點(diǎn)A3的電壓值。

圖4是串聯(lián)兩個(gè)電阻結(jié)構(gòu)的具體連接方式。其中，電阻R0與R1串聯(lián)，R0的另一端口連接輸入信號，R1的另一個(gè)端口接地。雙柵管的厚柵管(M0和M1)的柵極直接與輸入端相連接，薄柵管(M2)的柵極連接到R0和R1的中間節(jié)點(diǎn)A4。該結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)分壓點(diǎn)A4的電壓值，但當(dāng)輸入端為高電平時(shí)會有持續(xù)的電流流過該結(jié)構(gòu)。電流的大小可以通過兩個(gè)電阻的阻值之和來調(diào)節(jié)。增大電阻值會導(dǎo)致電路的延時(shí)增加，故需在功耗和延時(shí)之間做平衡取舍。

仿真實(shí)例

對圖1到圖4結(jié)構(gòu)的反相器使用Cadence軟件進(jìn)行仿真分析。

仿真實(shí)例采用0.18μm的工藝進(jìn)行，但分壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不受工藝限制。對于不同的工藝，只需對器件參數(shù)做相應(yīng)修改即可。反相器的PMOS管M0的溝道長度為1μm，寬度為41μm，fingers為4。反相器的厚柵NMOS的溝道長度為1μm，寬度為20μm，fingers為4；薄柵NMOS的溝道長度采用400nm，寬度為5μm，fingers為4。薄柵管額定工作電壓為1.8V。輸入端信號Vin為高電平為5V，低電平為0V，周期為20ns的方波。Vdd施加5V電壓。

圖5a為具有PMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線。其中M11為溝道長度為500nm，寬度為20μm的厚柵PMOS管；M12為溝道長度為500nm，寬度為1μm的的厚柵PMOS管。從仿真結(jié)果可以看到分壓節(jié)點(diǎn)A1的電壓約為1.69V。薄柵管的開啟電壓為0.635V(I_d＝50μA)。所以反相器可以正常工作，而且柵極所加電壓也不會過大。

圖5b為具有PMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看出，這種結(jié)構(gòu)在輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時(shí)候M11的漏極會有最大值為39μA的電流，M12的漏極有最大值為7.5μA的電流。輸入信號穩(wěn)定時(shí)僅有幾十nA的電流流過。

圖6a為具有NMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線。其中M21為溝道長度為600nm，寬度為20μm的厚柵NMOS管；M22為溝道長度為5μm,寬度為220nm的薄柵NMOS。采用薄柵NMOS是為了避免分壓結(jié)構(gòu)影響整個(gè)系統(tǒng)的抗總劑量效果。從仿真結(jié)果可以看到分壓節(jié)點(diǎn)A2的電壓約為1.71V。反相器可以正常工作。

圖6b為具有NMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看出，這種結(jié)構(gòu)在輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時(shí)候M21的漏極有最大值為39μA的電流，M22的漏極有最大值4.8μA的電流。輸入信號穩(wěn)定時(shí)僅有幾十nA的電流流過。

圖7a為具有低閾值NMOS分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線。其中M21為溝道長度為1.6μm，寬度為15μm的厚柵NMOS管；M22為溝道長度為500nm,寬度為220nm的薄柵NMOS。采用薄柵NMOS是為了避免分壓結(jié)構(gòu)影響整個(gè)系統(tǒng)的抗總劑量效果。從仿真結(jié)果可以看到分壓節(jié)點(diǎn)A2的電壓約為1.79V。反相器可以正常工作。

圖7b為具有低閾值NMOS分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看出，這種結(jié)構(gòu)在輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時(shí)候M21的漏極有最大值為51μA的電流，M22的漏極有最大值7.2μA的電流。輸入信號穩(wěn)定時(shí)僅有幾十nA的電流流過。

圖8a為具有二極管分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線。其中D0為寬為10μm，長為10μm，Multiplier為2的PN結(jié)二極管；D1為寬為10μm，長為10μm，Multipiler為3的PN結(jié)二極管。從仿真結(jié)果可以看到分壓節(jié)點(diǎn)A3的電壓約為1.80V。反相器可以正常工作。

圖8b為具有二極管分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看出，這種結(jié)構(gòu)在輸入信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)的時(shí)候D0有最大值為651μA的電流，D1有最大值為640μA的電流。輸入信號穩(wěn)定時(shí)會有幾百nA的電流流過。

圖9a為具有電阻分壓結(jié)構(gòu)的反相器輸入輸出、分壓節(jié)點(diǎn)電壓的關(guān)系曲線。其中R0是阻值為64KΩ的電阻，R1是阻值為36KΩ的電阻。從仿真結(jié)果可以看到分壓節(jié)點(diǎn)A4的電壓約為1.80V。反相器可以正常工作。

圖9b為具有電阻分壓結(jié)構(gòu)的電流與輸入信號的關(guān)系曲線。從仿真結(jié)果可以看到，這種結(jié)構(gòu)在輸入電平穩(wěn)定為高時(shí)會有R0和R1會有50μA的恒定電流流過，輸入電平穩(wěn)定為低時(shí)有幾pA的電流流過。其中，高電平時(shí)的電流值可以通過增大電阻阻值來降低，但增大電阻值會增加反相器的信號延時(shí)。實(shí)際應(yīng)用中需要的功耗和性能之間進(jìn)行平衡。