几种高压抗总剂量双栅MOS管的分压结构的制作方法

本发明涉及集成电路，特别涉及半导体存储器和可编程逻辑器件。

背景技术：

半导体存储器在当今的信息社会中发挥着极其重要的作用，但当半导体存储器应用于航天航空领域，长期处于辐射环境下，其绝缘层(主要是氧化层)中会不断积累氧化物陷阱电荷和界面态电荷，这种累积效应会引起半导体器件性能的退化，该现象就被称为电离辐射总剂量(Total Ionizing Dose,TID)效应。总剂量效应会带来诸多不利影响，包括MOS晶体管的阈值电压漂移、迁移率下降、漏电流增加等。尽管随着工艺的进步，栅氧化层越来越薄，但对于那些仍然需要较高电压进行擦除或者编程操作的半导体存储器，如EPROM，EEPROM，FLASH等，仍需要较厚栅氧化层的MOS晶体管以提高其耐压能力，然而电离辐射损伤与栅氧化层厚度的平方成正比，由于总剂量效应引起的MOS晶体管阈值电压的漂移，尤其是NMOS晶体管阈值电压的负向漂移，可能导致上述半导体存储单元的错误编程、擦除或者读取，从而导致整个器件的功能异常甚至失效。

双栅CMOS场效应晶体管能较好的均衡耐高压和抗总剂量效应。但是薄栅管的栅极长时间施加高电压会严重影响其使用寿命，甚至可能导致栅极击穿而造成永久性失效。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，提供几种为双栅MOS场效应晶体管分压的结构，用以减小施加到薄栅管栅极上的电压，提高双栅MOS场效应管的可靠性，延长其使用寿命。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：

几种高压抗总剂量双栅MOS管的分压结构，其特征在于，在双栅MOS管的基础上，通过分压结构减小施加在薄栅管上的电压。

具体的说，通过采用两个串联的PMOS场效应晶体管实现电压的分压，减小施加到薄栅管栅极上的电压。

另外，还有串联两个NMOS场效应晶体管、串联两个二极管和串联两个电阻的方案可供选择。

几种可供选择方案的核心思想根串联两个PMOS场效应晶体管一致。均是通过串联分压的方式来实现在薄栅管上施加更小的栅极电压，防止其因为栅极电压过高而过早的被击穿，致使其使用寿命缩短。

本发明的效益是，能够使双栅MOS场效应晶体管在耐高压的前提下具有较强的抗总剂量特性，而且双栅结构中的薄栅场效应晶体管也不会因为施加了过高的栅极电压而导致其寿命的缩短。该工艺与传统COMS工艺兼容，很容易实施。

附图说明

图1为PMOS分压结构与双栅MOS反相器连接关系的原理图

图2为NMOS分压结构与双栅MOS反相器连接关系的原理图

图3为二极管分压结构与双栅MOS反相器连接关系的原理图

图4为电阻分压结构与双栅MOS反相器连接关系的原理图

图5a为具有PMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线

图5b为具有PMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线

图6a为具有NMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线

图6b为具有NMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线

图7a为具有低阈值NMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线

图7b为具有低阈值NMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线

图8a为具有二极管分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线

图8b为具有二极管分压结构的电流与输入信号的关系曲线

图9a为具有电阻分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线

图9b为具有电阻分压结构的电流与输入信号的关系曲线

具体实施方式

本发明提出了几种高压抗总剂量双栅MOS管的分压结构，其中串联两个PMOS场效应晶体管结构的具体连接方式如图1所示。从图中可以看出，本发明是采用两个PMOS场效应晶体管串联而成的分压结构。两个PMOS晶体管都进行栅、源和衬底三者的短接。其中分压结构中的M11的源极直接与输入信号相连，M12的源极与M11的漏极相连，M12的漏极接地。双栅管的厚栅管(M0和M1)的栅极直接与输入端相连接，薄栅管(M2)的栅极连接到M11和M12的中间节点A1。因为M11和M12一直处于关断状态，故该结构不会造成太多的额外功耗。可以通过调节M11和M12的宽长比来调节工作时分压节点A1的电压值。

图2是串联的两个NMOS场效应晶体管结构的具体连接方式。两个NMOS场效应晶体管都进行了栅、源和衬底三者都进行了短接。其中分压结构中的M21的漏极直接与输入信号相连，M22的漏极与M21的源极相连，M22的源极接地。双栅管的厚栅管(M0和M1)的栅极直接与输入端相连接，薄栅管(M2)的栅极连接到M21和M22的中间节点A2。因为M21和M22一直处于关断状态，故该结构不会造成太多的额外功耗。可以通过调节M21和M22的宽长比来调节工作时分压节点A2的电压值。

图3是串联两个二极管结构的具体连接方式。其中，二极管D0的负极直接与输入信号相连，正极与二极管D1的负极相连接。二极管D1的正极接地。双栅管的厚栅管(M0和M1)的栅极直接与输入端相连接，薄栅管(M2)的栅极连接到D0和D1的中间节点A3。同MOS结构，因为D0和D1处于反偏状态，所以系统工作时，该结构带来的额外静态功耗的消耗很小。当信号发生变化是会有一定的电流流过，该电流持续时间短暂。该结构比MOS分压结构更节省芯片面积。同样可以通过条件D0和D1的宽长比来调节工作时分压节点A3的电压值。

图4是串联两个电阻结构的具体连接方式。其中，电阻R0与R1串联，R0的另一端口连接输入信号，R1的另一个端口接地。双栅管的厚栅管(M0和M1)的栅极直接与输入端相连接，薄栅管(M2)的栅极连接到R0和R1的中间节点A4。该结构可以准确调节分压点A4的电压值，但当输入端为高电平时会有持续的电流流过该结构。电流的大小可以通过两个电阻的阻值之和来调节。增大电阻值会导致电路的延时增加，故需在功耗和延时之间做平衡取舍。

仿真实例

对图1到图4结构的反相器使用Cadence软件进行仿真分析。

仿真实例采用0.18μm的工艺进行，但分压结构的应用不受工艺限制。对于不同的工艺，只需对器件参数做相应修改即可。反相器的PMOS管M0的沟道长度为1μm，宽度为41μm，fingers为4。反相器的厚栅NMOS的沟道长度为1μm，宽度为20μm，fingers为4；薄栅NMOS的沟道长度采用400nm，宽度为5μm，fingers为4。薄栅管额定工作电压为1.8V。输入端信号Vin为高电平为5V，低电平为0V，周期为20ns的方波。Vdd施加5V电压。

图5a为具有PMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线。其中M11为沟道长度为500nm，宽度为20μm的厚栅PMOS管；M12为沟道长度为500nm，宽度为1μm的的厚栅PMOS管。从仿真结果可以看到分压节点A1的电压约为1.69V。薄栅管的开启电压为0.635V(I_d＝50μA)。所以反相器可以正常工作，而且栅极所加电压也不会过大。

图5b为具有PMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线。从仿真结果可以看出，这种结构在输入信号发生翻转的时候M11的漏极会有最大值为39μA的电流，M12的漏极有最大值为7.5μA的电流。输入信号稳定时仅有几十nA的电流流过。

图6a为具有NMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线。其中M21为沟道长度为600nm，宽度为20μm的厚栅NMOS管；M22为沟道长度为5μm,宽度为220nm的薄栅NMOS。采用薄栅NMOS是为了避免分压结构影响整个系统的抗总剂量效果。从仿真结果可以看到分压节点A2的电压约为1.71V。反相器可以正常工作。

图6b为具有NMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线。从仿真结果可以看出，这种结构在输入信号发生翻转的时候M21的漏极有最大值为39μA的电流，M22的漏极有最大值4.8μA的电流。输入信号稳定时仅有几十nA的电流流过。

图7a为具有低阈值NMOS分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线。其中M21为沟道长度为1.6μm，宽度为15μm的厚栅NMOS管；M22为沟道长度为500nm,宽度为220nm的薄栅NMOS。采用薄栅NMOS是为了避免分压结构影响整个系统的抗总剂量效果。从仿真结果可以看到分压节点A2的电压约为1.79V。反相器可以正常工作。

图7b为具有低阈值NMOS分压结构的电流与输入信号的关系曲线。从仿真结果可以看出，这种结构在输入信号发生翻转的时候M21的漏极有最大值为51μA的电流，M22的漏极有最大值7.2μA的电流。输入信号稳定时仅有几十nA的电流流过。

图8a为具有二极管分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线。其中D0为宽为10μm，长为10μm，Multiplier为2的PN结二极管；D1为宽为10μm，长为10μm，Multipiler为3的PN结二极管。从仿真结果可以看到分压节点A3的电压约为1.80V。反相器可以正常工作。

图8b为具有二极管分压结构的电流与输入信号的关系曲线。从仿真结果可以看出，这种结构在输入信号发生翻转的时候D0有最大值为651μA的电流，D1有最大值为640μA的电流。输入信号稳定时会有几百nA的电流流过。

图9a为具有电阻分压结构的反相器输入输出、分压节点电压的关系曲线。其中R0是阻值为64KΩ的电阻，R1是阻值为36KΩ的电阻。从仿真结果可以看到分压节点A4的电压约为1.80V。反相器可以正常工作。

图9b为具有电阻分压结构的电流与输入信号的关系曲线。从仿真结果可以看到，这种结构在输入电平稳定为高时会有R0和R1会有50μA的恒定电流流过，输入电平稳定为低时有几pA的电流流过。其中，高电平时的电流值可以通过增大电阻阻值来降低，但增大电阻值会增加反相器的信号延时。实际应用中需要的功耗和性能之间进行平衡。