專利名稱：具有用于模擬開關(guān)的背柵電壓控制器的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種包含模擬開關(guān)和數(shù)字電路的集成電路(IC)，其中模擬開關(guān)和數(shù)字電路共用外部輸入和/或輸出端子，并分別與不同的電源連接。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種IC電路，其中設(shè)置了背柵(back gate)電壓控制器，以防止在模擬開關(guān)未工作時(shí)有泄漏電流流過。
眾所周知，在同一IC芯片上設(shè)置有分別與不同的電源連接的模擬開關(guān)和數(shù)字電路。
在描述本發(fā)明之前，最好先結(jié)合附

圖1-3說明與本發(fā)明有關(guān)的公知的電路。
參考圖1，其概要地展示了設(shè)置在同一芯片上的模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)10和數(shù)字電路12。如圖所示，模擬多路開關(guān)10包括p溝道模擬開關(guān)14，CMOS(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)模擬開關(guān)16和n溝道模擬開關(guān)18。盡管圖1中未示出，在開關(guān)14與16之間可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)另外的p溝道模擬開關(guān)，而且類似地，在開關(guān)16與18之間可以耦連一個(gè)或多個(gè)另外的n溝道模擬開關(guān)。p溝道模擬開關(guān)14具有源和漏，分別與分壓器20和輸出端22相連。輸出端22與外部電路(未示出)相連，并由數(shù)字電路12共用。模擬開關(guān)14的開/關(guān)操作由柵控制端26經(jīng)數(shù)字反相器24施加到模擬開關(guān)14柵極上的數(shù)字控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。模擬開關(guān)14的背柵直接與電源VDD(1)連接。
CMOS模擬開關(guān)16包括兩個(gè)平行的互補(bǔ)型MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)16a和16b。MOSFET 16a的源直接連接到MOSFET 16b的漏和分壓器20。另一方面，MOSFET 16a的漏與MOSFET 16b的源直接連接，并且這些端子與輸出端22連接。CMOS模擬開關(guān)的開/關(guān)操作由柵控制端28施加到MOSFET 16a和16b柵極上的數(shù)字控制信號(hào)控制。應(yīng)當(dāng)注意設(shè)置了各反相器以將柵控制信號(hào)的極性反相。MOSFET16a和16b的背柵分別與電源VDD(1)和地VSS連接。
如同上述的模擬開關(guān)14一樣，n溝道模擬開關(guān)18的漏和源分別連接到分壓器20和輸出端22。模擬開關(guān)18的開/關(guān)操作由柵控制端30施加到其柵極上的數(shù)字控制信號(hào)執(zhí)行控制。模擬開關(guān)18的背柵直接連接到電源VSS。
當(dāng)使用模擬多路轉(zhuǎn)換器10時(shí)，未使用數(shù)字電路12，反之亦然。
如圖所示，數(shù)字電路12包括兩個(gè)互補(bǔ)型MOSFET開關(guān)12a和12b，它們串聯(lián)在電源VDD(2)和地VSS之間。當(dāng)MOSFET 12a和12b分別通過端子32和34施加?xùn)趴刂菩盘?hào)而導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，電源電壓VDD(2)出現(xiàn)在輸出端22。相反，當(dāng)MOSFET 12a和12b分別導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，就將輸出端22的輸出拉向地電平。
圖2是圖1的p溝道模擬開關(guān)14的示意圖，圖3是開關(guān)14結(jié)構(gòu)的橫截面圖。p溝道模擬開關(guān)14本身的構(gòu)造是公知的技術(shù)，因此這里只進(jìn)行簡(jiǎn)要的說明。
如圖3所示，在分別為p+擴(kuò)散區(qū)40和42的源和漏之間形成p溝道，p+擴(kuò)散區(qū)40和42在一個(gè)n阱中形成。通過形成隔離46而使背柵(由44標(biāo)出)與有源區(qū)分開，并直接與電源VDD(1)連接。當(dāng)模擬多路轉(zhuǎn)換器10未使用時(shí)，假定電源VDD(1)由于某些原因(例如降低功耗)而降低。在這種情況下，如果數(shù)字電路12輸出電源電壓(即，VDD(2))，會(huì)有不需要的電流從漏42和源40流向背柵44，這是因?yàn)樵诼?2和源40之間的p-n結(jié)被正向偏置的緣故。因此，根據(jù)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，即使未使用模擬多路轉(zhuǎn)換器10，電源VDD(1)也不應(yīng)當(dāng)降低(即，保持向背柵44施加電壓)。
但是，當(dāng)未使用模擬開關(guān)時(shí)，非常希望能降低模擬輸入電壓，從而節(jié)省功耗。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種背柵電壓控制器，用于在未使用模擬開關(guān)時(shí)，即使模擬電源電壓降低，也能防止泄漏電流。
本發(fā)明的一個(gè)方面在于一種半導(dǎo)體器件，其包括模擬開關(guān)和數(shù)字電路，它們形成在一塊集成電路芯片上，并共用一個(gè)與外部電路連接的節(jié)點(diǎn)，包括一第一電源，與模擬開關(guān)的輸入端連接，模擬開關(guān)的輸出可在操作中與所述節(jié)點(diǎn)連接；一第二電源，用于向數(shù)字電路提供電能，數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與所述節(jié)點(diǎn)連接；和一背柵電壓控制器，其與模擬開關(guān)的背柵連接，用于響應(yīng)工作方式控制信號(hào)來控制施加到所述背柵上的電壓，所述工作方式控制信號(hào)用于確定模擬開關(guān)或數(shù)字電路是否能工作。
本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)將通過下面結(jié)合附圖的說明而變得更好理解，其中相應(yīng)的元件由類似的參考標(biāo)號(hào)來標(biāo)示。
圖1是與本發(fā)明有關(guān)的公知電路結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是用于圖1的p溝道模擬開關(guān)的示意圖；圖3是圖2中的p溝道模擬開關(guān)結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖4表示本發(fā)明內(nèi)在機(jī)理的背柵電壓控制器的示意圖；圖5是本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖，其中p溝道模擬開關(guān)的背柵是浮置的或隔離的；圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例的示意圖，其中將施加于背柵的電源電壓順序地從模擬(第一)電源電壓改變?yōu)榈陀谀M電源電壓的數(shù)字(第二)電源電壓；圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例的示意圖，其中n溝道MOSFET開關(guān)用于背柵電壓控制器，用于將背柵與模擬電源隔離；圖8所示是將本發(fā)明應(yīng)用于具體電路的第一例；圖9所示是將本發(fā)明應(yīng)用于具體電路的第二例；圖10所示是將本發(fā)明應(yīng)用于具體電路的第三例；下面將參考圖4對(duì)本發(fā)明作簡(jiǎn)要的說明。背柵電壓控制器50可在操作中與p溝道模擬開關(guān)24的背柵52連接，從而響應(yīng)于經(jīng)端子58接收的工作方式控制信號(hào)56來控制其電壓。工作方式控制信號(hào)56確定模擬開關(guān)54是否要被使用。在數(shù)字電路64使用時(shí)，只要經(jīng)柵端子62施加在開關(guān)54上的數(shù)字控制信號(hào)60保持為高電平，模擬開關(guān)54就保持為不工作。
當(dāng)使用模擬開關(guān)54時(shí)，開關(guān)54響應(yīng)于數(shù)字控制信號(hào)60而開通或關(guān)斷。當(dāng)模擬開關(guān)54導(dǎo)通時(shí)，施加在輸入端子66的模擬電壓出現(xiàn)在外部端子68。只要開關(guān)54保持在使用，背柵電壓控制器50繼續(xù)向背柵52施加模擬電壓VDD(1)(圖1)。
當(dāng)模擬開關(guān)54響應(yīng)于假定為高電平的數(shù)字控制信號(hào)60而不工作時(shí)，背柵電壓控制器50將背柵52隔離，或向背柵52施加一低電壓(即，數(shù)字電壓VDD(2))。當(dāng)背柵52與VDD(1)隔離時(shí)，有可能將電源電壓VDD(1)降至低于外部端子68可能的高壓。這是因?yàn)椴淮嬖谠诼┖捅硸?2之間以及源和背柵52之間p-n結(jié)反向偏置的可能性。
背柵電壓控制器50的第一實(shí)施例將參考圖5加以說明。第一實(shí)施例的背柵電壓控制器50采用p溝道模擬開關(guān)51的形式。當(dāng)模擬開關(guān)54在使用時(shí)，開關(guān)51保持導(dǎo)通，從而背柵52直接與模擬電源VDD(1)連接。另一方面，當(dāng)模擬開關(guān)54未使用時(shí)，開關(guān)51保持截止，從而隔離背柵52。這意味著電源電壓VDD(1)可以被下拉至地電平(例如)以達(dá)到電能轉(zhuǎn)換的目的。
背柵電壓控制器50的第二實(shí)施例將參考圖6加以說明。本實(shí)施例的背柵電壓控制器50包括兩個(gè)p溝道模擬開關(guān)80和82。開關(guān)80設(shè)置在背柵52和電源VDD(1)之間，而另一個(gè)開關(guān)82則設(shè)置在背柵52和電源VDD(2)之間。當(dāng)模擬開關(guān)54在使用時(shí)，開關(guān)80和82分別響應(yīng)于施加給端子58a和58b的工作方式控制信號(hào)而導(dǎo)通和截止。因此，當(dāng)模擬開關(guān)54使用時(shí)，電源VDD(1)與背柵52耦連。另一方面，當(dāng)模擬開關(guān)54不工作并且數(shù)字電路64將被使用時(shí)，開關(guān)80和82分別截止和導(dǎo)通。因此，背柵52就與電源VDD(2)連接，其電壓等于或低于電源VDD(1)。這意味著模擬電源VDD(1)可降低至VDD(2)。在上面的說明中，當(dāng)開關(guān)80和82分別截止和導(dǎo)通時(shí)，最好將開關(guān)82的“導(dǎo)通”時(shí)間點(diǎn)延遲，以保證開關(guān)80和82同時(shí)導(dǎo)通。
背柵電壓控制器50的第三實(shí)施例將參考圖7加以說明。第三實(shí)施例的背柵電壓控制器50是一n溝道模擬開關(guān)84。第三實(shí)施例的操作基本上與第一實(shí)施例的相同，再進(jìn)一步地說明是多余的，因而為了簡(jiǎn)化說明書而省略了對(duì)第三實(shí)施例的進(jìn)一步說明。
下面，將分別參考圖8至圖10描述將本發(fā)明應(yīng)用于實(shí)際電路的三個(gè)例子。
本發(fā)明應(yīng)用的第一個(gè)例子如圖8所示。圖8中的模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a包括兩個(gè)背柵電壓控制器90和92，每一個(gè)均與圖5中的背柵電壓控制器50相同。除此以外，模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a基本上與圖1中的相同，從而已經(jīng)結(jié)合圖1所說明的部分在后面的說明中除了必要之外將被省略。
當(dāng)要使用模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a時(shí)，工作方式控制信號(hào)56假定為低電平，以便使模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a進(jìn)入工作狀態(tài)。也就是說，各模擬開關(guān)14和16a可以與模擬電源VDD(1)連接。這樣，模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a就可以通過在端子26、28和30中之一上出現(xiàn)的數(shù)字控制信號(hào)所選擇的模擬開關(guān)有選擇地輸出模擬信號(hào)。這樣所選擇的模擬信號(hào)就出現(xiàn)在外部端子68上。在上述工作方式中，數(shù)字電路64保持為不工作狀態(tài)。
反之，如果要使用數(shù)字電路64，則工作方式控制信號(hào)56假定為高電平，從而模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a進(jìn)入不工作的狀態(tài)，而數(shù)字電路64進(jìn)入工作狀態(tài)。數(shù)字電路64與輸入端94連接，輸入端94上施加了二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并且一個(gè)端子96與數(shù)字電源VDD(2)連接。數(shù)字電路64包括一反相器98，一與非(NAND)門100，一或非(NOR)門102，一p溝道開關(guān)104，以及一n溝道開關(guān)106。顯然，因?yàn)楣ぷ鞣绞娇刂菩盘?hào)56為高電平，如果數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)假定為高電平，數(shù)字電路64發(fā)出高電平(即，電源電壓VDD(2))。反之，如果數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)假定為低電平，則數(shù)字電路64發(fā)出地電平信號(hào)。數(shù)字電路的這些輸出出現(xiàn)在外部端68。在上面的說明中，當(dāng)數(shù)字電路輸出64輸出電源電壓VDD(2)時(shí)，各背柵電壓控制器90和92已經(jīng)截止，從而沒有上面提到的有泄漏電流流過相應(yīng)模擬開關(guān)(14或16a)的現(xiàn)象?？梢岳斫鈭D8中的外部端子68是公用的，以提供模擬或數(shù)字輸出。
圖9顯示了本發(fā)明應(yīng)用于具體電路的第二個(gè)例子，其與圖8中的布局不同之處在于(a)圖9中的布局還包括NAND門110，(b)增加了工作方式控制端59，和(c)工作方式控制信號(hào)56只是對(duì)數(shù)字電路64不施加。此外，NAND門110的工作方式控制信號(hào)從端子112施加，而NAND門110的輸出則送到端子114?？梢岳斫猓┘佑诙俗?12的工作方式控制信號(hào)假定為高電平，NAND門110將繼續(xù)發(fā)出高電平，而與經(jīng)外部輸出端子68’所施加的邏輯電平無關(guān)。在這種情況下，NAND門110將進(jìn)入不工作方式。
如上所述，當(dāng)工作方式控制信號(hào)56假定為低電平時(shí)，模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。在這種情況下，施加于端子59的方式控制信號(hào)應(yīng)當(dāng)假定為低電平，以使數(shù)字電路64不工作，而施加于端子112的方式控制信號(hào)應(yīng)當(dāng)假定為高電平，以便使NAND門110不工作。這樣，由模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a選擇的模擬電壓被施加于外部端子68’。
綜上所述，可以理解通過選擇相應(yīng)工作方式控制信號(hào)的邏輯電平，電路11a、64和110中只有一個(gè)可以工作。外部端子68’用于使用模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)11a的模擬輸出、電路64的數(shù)字輸出、以及NAND門110的數(shù)字輸入通過。
如同圖8中的第一個(gè)例子那樣，即使數(shù)字電路64輸出電源電平VDD(2)，或即使NAND門110接受達(dá)到電源電平VDD(2)的高電平，因?yàn)楦鳀趴刂齐妷嚎刂破?0和92已經(jīng)截止，因而沒有泄漏電流流過相應(yīng)的模擬開關(guān)(14或16a)。
圖10顯示了本發(fā)明應(yīng)用于具體電路的第三個(gè)例子，其與圖9中的先前例子的不同之處在于圖10中去掉了數(shù)字電路64。而且，工作方式控制信號(hào)56也施加于NAND門110的一個(gè)輸入端。除此以外，圖10的結(jié)構(gòu)基本與圖9中的一樣。圖10中電路的工作從前面的說明中就可以清楚地理解，因而為了簡(jiǎn)捷起見省略了進(jìn)一步的說明。
應(yīng)當(dāng)理解，上述的公開只是表示了本發(fā)明幾個(gè)可能的實(shí)施例，而作為本發(fā)明基礎(chǔ)的原理并不受它們的限制。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括模擬開關(guān)和數(shù)字電路，它們形成在一塊集成電路芯片上，并共用一個(gè)與外部電路耦連的節(jié)點(diǎn)，包括第一電源，與所述模擬開關(guān)的輸入端連接，所述模擬開關(guān)的輸出可在操作中與所述節(jié)點(diǎn)連接；第二電源，用于向所述數(shù)字電路提供電能，所述數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與所述節(jié)點(diǎn)耦連；和背柵電壓控制器，其與所述模擬開關(guān)的背柵耦連，用于響應(yīng)工作方式控制信號(hào)來控制施加到所述背柵上的電壓，所述工作方式控制信號(hào)用于確定所述模擬開關(guān)或所述數(shù)字電路是否能工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述背柵電壓控制器是p溝道MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)開關(guān)，并設(shè)置在所述背柵與所述第一電源之間，當(dāng)所述模擬開關(guān)在使用時(shí)，所述p溝道MOSFET開關(guān)將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，而當(dāng)所述模擬開關(guān)未使用時(shí)，使所述背柵浮置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述背柵電壓控制器包括第一和第二p溝道MOSFET開關(guān)，所述第一p溝道MOSFET開關(guān)設(shè)置在所述背柵和所述第一電源之間，而所述第二p溝道MOSFET開關(guān)則設(shè)置在所述背柵和所述第二電源之間，當(dāng)所述模擬開關(guān)在使用時(shí)，所述第一p溝道MOSFET開關(guān)將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，當(dāng)所述模擬開關(guān)未使用時(shí)，使所述背柵浮置，并且當(dāng)所述模擬開關(guān)未使用時(shí)，所述第二p溝道MOSFET開關(guān)工作以將所述背柵電壓箝位在第二電源電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述背柵電壓控制器是n溝道模擬開關(guān)，并設(shè)置在所述背柵與所述第一電源之間，當(dāng)所述模擬開關(guān)在使用時(shí)，所述n溝道MOSFET開關(guān)將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，而當(dāng)所述模擬開關(guān)未使用時(shí)，使所述背柵浮置。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件,包括模擬開關(guān)和數(shù)字電路,它們形成在一塊集成電路芯片上,并共用一個(gè)與外部電路連接的節(jié)點(diǎn)。在該器件中設(shè)置一第一電源,與模擬開關(guān)的輸入端連接,模擬開關(guān)的輸出可在操作中與節(jié)點(diǎn)連接;一第二電源,向數(shù)字電路提供電能,數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與節(jié)點(diǎn)連接;背柵電壓控制器,其與模擬開關(guān)的背柵連接,用于響應(yīng)工作方式控制信號(hào)來控制施加到背柵上的電壓,工作方式控制信號(hào)用于確定模擬開關(guān)或數(shù)字電路是否能工作。
文檔編號(hào)H03K17/041GK1258132SQ99126388
公開日2000年6月28日 申請(qǐng)日期1999年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月17日
發(fā)明者馬場(chǎng)不二男 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社