專利名稱：半導(dǎo)體集成電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系有關(guān)于一種半導(dǎo)體積體電路，特別是有關(guān)于一種利用二按二極管連接(diode-connected)的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的閾值電壓以設(shè)計電源復(fù)位電路的半導(dǎo)體集成電路。
近來，由于便攜式裝備如筆記型個人計算機、蜂巢式電話和個人手提電話等廣泛快速的傳播，低功率損耗型集成電路的需求亦隨之劇增。而達成低功率損耗最普遍的方法即是讓半導(dǎo)體集成電路在低電壓的電源下工作，然而以低電壓來驅(qū)動半導(dǎo)體集成電路會造成MOS晶體管的閾值電壓降對電源電位的比例增大，而使得利用MOS晶體管閾值電壓降來調(diào)整電位變得困難，這將嚴(yán)重地影響電路設(shè)計。
圖8顯示常規(guī)的產(chǎn)生一電源啟動復(fù)位信號(下文中以POR信號表示)的電啟動復(fù)位電路(下文中以POR電路表示)，在電源啟動時用來控制和初始化內(nèi)部電路，詳細(xì)例子如美國專利編號5,073,874所描述。在圖8中，數(shù)字1a表示一電源電位節(jié)點在，其上電位為Vcc；數(shù)字1b表示一地電位節(jié)點，電位為Vss；數(shù)字2a和2b表示二個P溝道MOS晶體管而其各別的柵極均和本身的漏極相連接，也就是二極管連接，而二個P溝道MOS晶體管串連后再連接于電源電位節(jié)點1a和連接節(jié)點2之間。數(shù)字2c表示一電容器連接在連接節(jié)點2和地電位節(jié)點1b之間；數(shù)字3是一倒相器由P溝道MOS晶體管2a和N溝道MOS晶體管3b所構(gòu)成，其輸入端接收連接節(jié)點2的電位而從輸出端輸出POR信號。
其次，上述常規(guī)POR電路工作方式將在下文中描述。圖9是一時序圖，表示常規(guī)POR電路(如圖8所示)在電源啟動和斷路時的動作。在圖9中，數(shù)字(a)表示在電源電位節(jié)點1a上電位Vcc的變動，數(shù)字(b)表示在連接節(jié)點2上電位NN2的變動，數(shù)字(c)表示圖8所示POR電路的輸出POR信號電位(POR)的變動情形。此外|Vth|表示MOS晶體管閾值電壓的絕對值，而VT表示倒相器的閾值電壓。首先，當(dāng)外部電源啟動時，電源電位節(jié)點1a的電位Vcc從時間t0開始上升(時間t0)。當(dāng)電源電位節(jié)點1a的電位Vcc達到P溝道MOS晶體管3a閾值電壓(|Vth|)時，P溝道MOS晶體管開始要導(dǎo)通而POR信號的電位POR從時間t1開始上升(時間t1)。再來，當(dāng)電源電位節(jié)點1a的電位Vcc再上升達到二個P溝道MOS晶體管2a和2b閾值電壓之和2|Vth|時，按二極管連接的P溝道MOS晶體管2a和2b開始導(dǎo)通，藉著電容器2c的充電開始，在時間t2時連接節(jié)點2的電位NN2開始以較電源電位節(jié)點1a電位平緩的速度上升(時間t2)。當(dāng)連接節(jié)點2的電位NN2已超出倒相器3的閾值電壓時，倒相器3被倒相而POR信號的電位POR開始下降(時間t3)。如前述的動作結(jié)果，產(chǎn)生一POR信號在電源電壓啟動時用以控制和初始化內(nèi)部電路。
其次，當(dāng)電源關(guān)閉時，也就是當(dāng)改變電源節(jié)點1a的電位Vcc使成為地電位節(jié)點Vss時，累積在電容器2c的電荷將經(jīng)由布線電容(WiringCapacitance)而逐漸放電，因此連接節(jié)點2的電位NN2開始降低(時間t4)。然而在圖8中所示的POR電路中由于在連接節(jié)點2上并未配置任何放電路徑而僅能由布線電容放電，故而在時間t5電源完全關(guān)閉后，要使連接節(jié)點2的電位NN2降低至地電位Vss需要很長的時間。當(dāng)累積在電容器2c和節(jié)點2的布線電容的電荷未充分放電之前即連接節(jié)點2的電位NN2尚未充分下降(時間t6時)前即再次啟動電源，則只有當(dāng)電源電位節(jié)點1a的電位Vcc上升至高于Vα+｜Vth｜時倒相器3的P溝道MOS晶體管3a開始導(dǎo)通，而POR信號的電位POR開始上升(時間t7)。在這一狀況下，Vα表示連接節(jié)點2在時間t6時的電位。接著，當(dāng)電源電位節(jié)點1a的電位上升至2個P溝道MOS晶體管2a和2b閾值電壓之和|Vth｜，且高于Vα?xí)r，2個按二極管連接的P溝道MOS晶體管開始對電容器2c充電而連接節(jié)點2的電位NN2也開始上升(時間t8)。當(dāng)連接節(jié)點2的電位NN2超出倒相器3的臨界電壓VT時，被相器3倒相而POR信號電位開始降低(時間t9)。但是，在上述動作過程中，因為電源再一次啟動前在連接節(jié)點2上仍殘留Vα的電位，所以用來決定POR信號脈沖持續(xù)時間(t7至t9時段)，相對比較于將累積在電容器2c和連接節(jié)點2布線電容上的電荷充分放電使連接節(jié)點2的電位NN2成為地電位Vss的條件下所決定之POR信號脈沖持續(xù)時間(t1到t3時間)而言是極度地縮短了。
以上所描述的常POR電路中，在電源關(guān)閉一次后再啟動時因為累積在電容器2c和連接節(jié)點2的布線電容上的電荷放電速度慢且不完全，致使當(dāng)電源啟動時用以控制和初始化內(nèi)部電路的任何POR信號將無法產(chǎn)生，即或可產(chǎn)生POR信號也不是正常的脈沖在此將引起誤動作。
又當(dāng)工作在低電壓電源時，因為電源關(guān)閉時在連接節(jié)點2上電容器2c和布線電容所累積的電荷放電不完全，連接節(jié)點2上所產(chǎn)生的電位Vα和MOS晶體管的閾值電壓|Vth|將占去電壓電源Vcc的絕大比例，因此產(chǎn)生另外一個問題就是在電源關(guān)閉后很難利用傳統(tǒng)的MOS晶體管使連接節(jié)點2的電位NN2和地電位Vss相等。
有鑒于此，本發(fā)明之目的是要解決上述的問題，亦提供一半導(dǎo)體集成電路能夠在電源關(guān)閉后再迅速啟動時將內(nèi)部電路的充電電荷放電并將其電位拉低至接近地電位。
本發(fā)明的另一個目的是提供一包含POR電路的半導(dǎo)體集成電路，即使在電源關(guān)閉后到電源重新啟動的時間周期縮短的情形下，在電源啟動時仍然能產(chǎn)生正常的POR信號以控制和初始化內(nèi)部電路。
根據(jù)本發(fā)明的第一特征，一半導(dǎo)體集成電路包含一放電元件由連接成二極管的MOS晶體管在電源電位節(jié)點和連接節(jié)點之間的，從連接節(jié)點至電源電位節(jié)點的方向配置成順向偏壓方向，這一MOS晶體管的背柵極和本身的柵極相連。
根據(jù)本發(fā)明的第二特征，一半導(dǎo)體集成電路包含一電源電壓反應(yīng)電路，該反應(yīng)電路包含一提升電路在電源電位節(jié)點和連接節(jié)點間連接以及一電容器連接到連接節(jié)點和地電位節(jié)點；一放電MOS晶體管，按二極管連接并在電源電位節(jié)點和連接節(jié)點之間，從連接節(jié)點至電源電位節(jié)點的方向配置成前向偏壓方向，這一MOS晶體管的背柵極和本身的柵極相連；一保持電路，其接收前述連接節(jié)點的電位以及輸出一電源啟動復(fù)位信號，使電平從電源電位開始上升經(jīng)一預(yù)定時間后從第一電平改變?yōu)榈诙娖剑c超出預(yù)設(shè)電平的連接節(jié)點的電位相對應(yīng)，從而保持該電源啟動復(fù)位信號的第二電平。
圖1為應(yīng)用本發(fā)明的DRAM方框圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例的POR產(chǎn)生電路；圖3為根據(jù)本發(fā)明的POR產(chǎn)生電路的動作時序圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的MOS晶體管閾值電壓對背柵極和源極間電壓的特性圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的POR產(chǎn)生電路；圖6為根據(jù)本發(fā)明又一實施例的POR產(chǎn)生電路圖；圖7為根據(jù)本發(fā)明再一實施例的POR產(chǎn)生電路圖；圖8為根據(jù)先有技術(shù)的POR產(chǎn)生電路圖；以及圖9為根據(jù)先有技術(shù)POR產(chǎn)生電路的電路動作時序圖；在所有的圖示中，相同的單元均約予相同的數(shù)字。
圖1表示應(yīng)用本發(fā)明DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)100的方框圖包含一個內(nèi)部電位產(chǎn)生電路群組200，一POR電路210和一存儲單元陣列101由多個以行列方式排列的存儲單元所組成。一RAS(行地址選通)緩沖器110接收一由外部施加的信號RAS和輸出RAS信號至地址緩沖器130；以及CAS(列地址選通)緩沖器120接收一由外部施加的信號CAS和輸出一CAS信號至地址緩沖器130。地址緩沖器130接收一外部地址信號ext Ai(i＝0，1，2……)和該RAS信號，鎖存該外部地址信號extAi，輸出行地址信號RAi和RAi給內(nèi)部電路，以及接收外部地址信號ext Ai(i＝0，1，2……)和該CAS信號，鎖存外部地址信號extAi和輸出列位址信號CAi和CAi給內(nèi)部電路。
一行譯碼器140接收從地址緩沖器130來的信號RAi和RAi后選擇一相對應(yīng)的字元線；一列譯碼器150接收從地址緩沖器130來的信號CAi和CAi后選擇一相對應(yīng)的讀出放大器以及I/O(輸入/輸出)電路170，該放大器用以放大存儲單元101在位元線上被讀出的電位而I/O電路則用以傳送存儲單元101在位元線上被讀出的數(shù)據(jù)。數(shù)字160表示一字元驅(qū)動器用以提高行譯碼器140所選擇的字元線的電位；180表示一讀出和寫入的控制電路，從外部接收一寫入允許信號ext/WE和一輸出允許信號ext/OE，且輸出一WO信號來控制內(nèi)部電路的讀出和寫入；以及190表示一I/O緩沖器接收從讀出和寫入控制電路180輸出的信號WO，在寫入的情形下經(jīng)一數(shù)據(jù)線傳送外部施加的數(shù)據(jù)extDin至I/O引線I/O讀出放大器170，在讀出的情形下輸出存儲單元中的讀出數(shù)據(jù)由讀出放大器170放大后經(jīng)I/O電路數(shù)據(jù)線傳送至I/O引線成為數(shù)據(jù)ext Dout信號。
在圖1中，POR電路210用以當(dāng)電源啟動時產(chǎn)生POR信號來控制和初始化內(nèi)部電路如內(nèi)部電位產(chǎn)生電路群組200和RAS緩沖器110以及其它部分電路。
圖2是表示根據(jù)本發(fā)明一個最佳實施例的POR電路210一圖，而圖3系一動作時序圖。在圖2中，211a表示一電源電位節(jié)點其電位為Vcc；數(shù)字211b表示一地電位節(jié)點其電位為Vss；以及數(shù)字212a和212b表示2個N溝道MOS晶體管其個別的柵極和漏極均相連在一起，也就是按二極管連接，在電源電位節(jié)點和連接節(jié)點間連接以便從電源電位節(jié)點211a至連接節(jié)點212的方向配置成前向偏壓方向，從而形成一提升電路212f。數(shù)字212c表示一電容器連接在連接節(jié)點212和地電位節(jié)點211b之間，且和提升電路共同形成一電源電位反應(yīng)電路212g。數(shù)字214表示一倒相器由一P溝道MOS晶體管214a和N溝道MOS晶體管214b構(gòu)成，其輸入端接收連接節(jié)點212的電位而輸出端輸出POR信號POR；數(shù)字215也是一倒相器由一P溝道MOS晶體管215a和一N溝道MOS晶體管215b構(gòu)成，其輸入端接收POR信號POR而輸出端則連接至連接節(jié)點212；數(shù)字216表示一保持電路由兩個倒相器214和215構(gòu)成；數(shù)字213表示一N溝道MOS晶體管連接在電源電位節(jié)點211a和連接節(jié)點212之間，且從連接節(jié)點212至電源電位節(jié)點211a的方向配置成前向偏壓方向，其背柵極213bg亦連接到柵極213g。因此，該MOS晶體管213的作用為一放電晶體管，也就是說在電源電位節(jié)點211a的電位Vcc降至比連接節(jié)點212的電位低于一個N溝道MOS晶體管213的閾值電壓時，MOS晶體管213導(dǎo)通并將累積在電容器212c和連接節(jié)點212的布線電容上的電荷放電。
本身柵極和背柵極相連接的MOS晶體管的閾值電壓將在下文中參照圖4來描述。
圖3顯示MOS晶體管的閾值電壓Vth相對于MOS晶體管其背柵極電壓和源極間電位差VBS的變動圖示，而其電位差如下列運算式(1)所表示Vth＝V0+K[(2F+VBS)1/2-(2F)1/2](1)其中VBS表示背柵極電壓(以源極電壓為基準(zhǔn))，K表示基片體效應(yīng)常數(shù)，F表示基片表面電位，以及V0表示當(dāng)VBS＝0V時的閾值電壓。
在圖4中，d表示MOS晶體管背柵極與源極間的電位差VBS和MOS晶體管的閾值電壓Vth在此相等之點。從圖4很明顯地看出，因為VBS＝Vth的結(jié)果使得將傳統(tǒng)上VBS＝-1.5V時MOS晶體管的閾值電壓為0.7V降低至0.25V成為可能，且尚比VBS＝0V時的閾值電壓V0(0.35V)小0.1V。將MOS晶體管的背柵極連接在一起即可使VBS＝Vth。在下文的描述中，為區(qū)別起見|Vtho|將表示當(dāng)MOS晶體管背柵極和柵極連接時閾值電壓的絕對值，而|Vth|則表示當(dāng)VBS＝-1.5V時傳統(tǒng)MOS晶體管的閾值電壓。
接著，上文提及的POR電路210動作方式將在下文中描述。在圖3中，(a)表示電源電位節(jié)點211a電位Vcc的變動，(b)表示在連接節(jié)點212上電位N212變動，以及(c)表示POR電路210的輸出信號POR的電位變動。
首先，當(dāng)由外部電源啟動時，電源電位節(jié)點211a的電位Vcc在T0時開始上升，如圖3(a)所示。當(dāng)電源電位節(jié)點211a在電位Vcc在T1時(參照3(a))達到P溝道MOS晶體管214a的閾值電壓值|Vth|時，P溝道MOS晶體管214a開始導(dǎo)通，而POR信號的電位POR也開始如圖3(c)所示上升。當(dāng)電源電位節(jié)點211a的電位Vcc在T2時(參照圖3(a))再上升到達2個N溝道MOS晶體管212a和212b的閾值電壓的相加值2|Vth|時，2個N溝道MOS晶體管212a和212b開始導(dǎo)通而電容器212c也開始充電，借此電容器的充電連接節(jié)點212的電位N212開始以較電源電位節(jié)點212a電位上升斜度平緩的速度上升如圖3(b)所示。當(dāng)連接節(jié)點212的電位N212在如圖3(b)所示T3處超出倒相器214的閾值電壓VT時，倒相器214被倒相，也就是說MOS晶體管214a成開路截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)果POR信號的電位POR開始下降如圖3(c)所示。藉由上述的動作，在電源啟動時用以控制和初始化內(nèi)部電路的POR信號于是產(chǎn)生。在這動作期間，按二極管連接的放電N溝道MOS晶體管213一直處在反偏的狀態(tài)且沒有任何電流流通。倒相器215的功能為提高連接節(jié)點212的電位，并和倒相器214一起形成鎖存電路來保留POR信號。
當(dāng)電源是斷時，電源電位節(jié)點211a的電位在T4處開始下降如圖3(a)所示，隨著電位繼續(xù)下降，累積在電容器212c和連接節(jié)點212布線電容上的電荷也經(jīng)由溝道MOS晶體管215a以及正向偏壓的按二極管連接的放電N溝道MOS晶體管213逐漸地放電，而連接節(jié)點212的電位N212也就如圖3(b)所示下降。當(dāng)電源電位節(jié)點電位Vcc降至與地電位節(jié)點電位Vss相等時，連接節(jié)點212的電位N212將更進一步在T5處下降至放電NMOS晶體管213閾值電壓|Vtho|的電平如圖3(b)所示。但是，如果放電N溝道MOS晶體管的背柵極沒有與其柵極相連接，也就是說當(dāng)背柵極是連接到基片電位VBB或地電位Vss時，連接節(jié)點212的電位N212僅能下降至比|Vtho|高的電位|Vth|。
隨后，當(dāng)在T6處重新啟動電源時，電源電位節(jié)點211a的電位Vcc將如圖3(b)所示T7處超出|Vtho|+|Vth|，在此同時P溝道MOS晶體管214a開始導(dǎo)通而使POR信號的電位POR開始上升如圖3(c)所示。當(dāng)電源電位節(jié)點211a的電位Vcc再上升達到|Vtho|+2|Vth|比|Vtho|高出2個N溝道MOS晶體管212a和212b的閾值電壓和2|Vth|時(時間T8)，2個按二極管連接的N溝道MOS晶體管212a和212b都導(dǎo)通，開始對電容器212c充電，因此連接節(jié)點212的電位N212開始上升，如圖3(b)所示。此外，當(dāng)連接節(jié)點212的電位N212已達到倒相器的閾值電壓VT時(如圖3(b)時間T9)，倒相器214的輸出倒相而POR信號的電位POR開始下降，如圖3(c)所示。另一方面，如果連接節(jié)點212的電位N212只能降至|Vth|的電平而不能再降時，則POR信號的電位POR不是一正常脈沖信號，如圖3(c)虛線所示。
如上所述，在POR電路中累積在電器212c和連接節(jié)點212布線電容上的電荷在電源中斷后都很快速地降至充分的電平，如此即使縮短電源中斷后到電源重新開啟的時間所產(chǎn)生的POR信號依然是一正常的脈沖信號，最終使保護半導(dǎo)體集成電路免于受在電源啟動時的影響而導(dǎo)至誤動作成為可能。
雖然在上述實施例中以二個倒相器214和215來構(gòu)成保持電路216，但是在倒相器214輸出端連接多級倒相器218和219(如圖5所示)做為驅(qū)動器亦是另一較佳實施例。
此外，雖然N溝道MOS晶體各213是做為放電晶體管，其亦可以P溝道MOS晶體管217來取代(如圖6)。再者，如圖7所示利用P溝道MOS晶體管212d和212e來取代N溝道MOS晶體管212a和212b也是另一較佳實施例。
前述的實施例有一個優(yōu)點，即一半導(dǎo)體集成電路包含一放電單元能在電源中斷時將電位快速地放電至近乎地電位的電平。
此外，根據(jù)本發(fā)明之另一優(yōu)點是，一半導(dǎo)體集成電路包含一POR產(chǎn)生電路用以產(chǎn)生一正常脈沖信號即使當(dāng)電源中斷后立即再啟動電源也能夠控制以及初始化內(nèi)部電路。
雖然本發(fā)明已以一些較佳實施例說明如上，然其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種更動與附加，因此本發(fā)明的保護范圍僅由后附的申請專利范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一半導(dǎo)體集成電路包含一電源電位反應(yīng)電路，由一連接在一電源電位節(jié)點和一連接節(jié)點之間的提升電路，以及一連接在該連接節(jié)點和一地電位節(jié)點之間的電容器組成；一放電MOS晶體管在該電源電位節(jié)點和連接節(jié)點間按二極管方式連接以便從該連接節(jié)點至該電源電位節(jié)點配置成正向偏壓的方向，該MOS晶體管的背柵極與其自身的一柵極相連接；以及一保持電路，接收該連接節(jié)點的電位以及輸出一電源啟動復(fù)位信號，使電平從該連接節(jié)點的電位在電源電位開始上升后一預(yù)定期間后從第一電平改變?yōu)榈诙娖剑c超出預(yù)設(shè)電平的連接節(jié)點的電位相對應(yīng)，從而保持將該電源啟動復(fù)位信號的第二電平。
2.如權(quán)利要求1所述的該半導(dǎo)體集成電路，該提升電路包含2個MOS晶體管，該2個MOS晶體管皆按二極管連接以便從電源電位節(jié)點至連接節(jié)點配置成正向偏壓方向。
3.如權(quán)利要求2所述的該半導(dǎo)體集成電路，該2個MOS晶體管的背柵極分別與其本身的一柵極相連接。
4.如權(quán)利要求1所述的該半導(dǎo)體集成電路，該保持電路包含一對MOS連接成觸發(fā)器的倒相器電路。
全文摘要
一種半導(dǎo)體集成電路包含一電源電位反應(yīng)電路以及一電容器(212c)；該電路包含一連接成二極管的放電的MOS晶體管，以便在從連接節(jié)點至電源電位節(jié)點間配置成正向偏壓的方向，該晶體管的背柵極和柵極本身相連接；以及，該電路包含一保持電路(216)，藉此以保持其輸出的電源啟動復(fù)位信號。
文檔編號H03K17/06GK1159656SQ9612311
公開日1997年9月17日 申請日期1996年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月11日
發(fā)明者飛田洋一 申請人:三菱電機株式會社