专利名称：具有动态阈值电压的晶体管电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体管电路，特别涉及动态地控制晶体管國值电压的系统。
金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)器件在数字电子工业中已获得广泛接受。MOSFET器件的特征是需要在栅极施加阈值电压使晶体管导通或截止并引导或阻止源和漏之间电流的流动。因此MOSFET的状态随栅上的最小阈值电压的存在与否而改变。
近来，集成电路的制造商和开发商已尝试通过降低晶体管需要的电源电压来提高性能。然而随着电源电压按比例降低，MOSFET的阈值电压没有成比例地降低。由于最小阈值电压必须保持在如200mV，以确保电路对噪声不敏感，并且亚阈值漏电流不会太高，所以阈值电压的降低是有限的。因此，由于低栅源的过压造成的低电源电压，在技术中得不到需要的器件性能增益，其中栅源的过压与器件的性能成比例，并定义为栅源的电压减去阈值电压。
现已提出的减轻低过压问题的一个解决方案是动态阈值电压FET(DTFET)。在这种系统中，阈值电压随栅极输入电压的改变动态地调节。获得DTFET中动态特性的一个方法是将栅直接连接到FET体区。在N型DTFET(即DTNFET)的情况中，当栅极为低电平时，DTNFET截止，阈值电压为高电平，提供了良好的抗噪声能力和低漏电流。当栅极转换为高电平使DTNFET导通时，由于负体区效应即从源极到体区为正偏压，阈值电压为低电平(接近零)。由于在大多数的开关时间中，阈值电压为低电平，DTNFET具有极好的开关速度。
不利的是，在以上介绍的系统中存在限制。要使用这种DTNFET就必须局限为NFET P体区被隔离的绝缘体上硅(SOI)技术。由于SOI技术通常不用做今天的体硅技术，所以DTFET不能顺利地用在工业中。此外，现有的DTFET的电源电压必须为0.5伏以下。否则，即使当FET用做源跟随器时，从P体区到N源极的p-n二极管将导通并降低(load down)栅信号。
高驱动源跟随器件的另一个解决方案是体区连接到源极的NFET。虽然这种类型的系统可以用在电源电压高于0.5伏的体硅技术中，但它仍不能提供在开关期间阈值电压接近零的系统。这导致性能降低。
因此，由于不能提供在电源电压高于0.5伏的体硅技术中实现高性能DTFET的系统，所以DTFET的使用将受到极大的限制。
本发明提供一种改进的DTFET，能在电源电压高于0.5伏的体硅技术中使用。改进的DTFET包括形成在衬底内的晶体管，其中晶体管包括连接到栅极的输入节点、输出节点和体区，还包括动态地控制晶体管阈值电压电平的电路，其中电路包括连接到晶体管输入节点和体区的电阻。
要实现改进，DTFET还包括晶体管的扩散区形成于其中的衬底内的隔离阱，和连接到隔离阱的晶体管的体区上的接触，其中接触将电阻连接到阱。由此，当为N型器件时，DTNFET放置在通过N阱与P衬底隔离的P阱内。类似地可以使用形成隔离阱的其它公知的方法。
如上所述，改进的DTFET特征是添加了电阻。电阻可以是分立的或集成的电阻。选择电阻值以便产生足够RCin延时，使得进行晶体管开关转换的同时不降低(loading down)栅信号。
因此本发明的一个优点是提高晶体管电路的开关速度。
本发明的另一优点是提供一种用体硅技术实现的DTFET。
本发明的再一优点是提供一种能利用高于0.5伏电源电压的DTFET。
图1示出了根据本发明优选实施例的晶体管电路的示意图。
图2示出了根据本发明优选实施例的晶体管电路的剖面图。
图1示出了晶体管10，包括能动态地调节晶体管12的阈值电压的系统。动态阈值场效应晶体管(DTFET)包括连接在晶体管12的输入14和体区15之间的电阻18。为了便于分析同样在图1中示出晶体管12内固有的寄生二极管20，它实际上不是分立的元件。显示的晶体管12是NFET，然而，应该明白可以容易地替换为PFET或NFET/PFET组合的电路。
晶体管12包括连接到输入14的栅极、连接到电源(VDD16)的漏极和连接到输出22的源极。由于示出的晶体管12是NFET，当输入14变为高电平时，输出22充电到漏极电压VDD，由此导通NFET。此外，当输入14为低电平时，即低于阈值电压时，输出22保持未充电，由此关断NFET。本发明提供一种在开关时间期间能动态地调节阈值电压的系统。具体地，当输入14为低电平时，阈值电压保持高电平，NFET保持关断。当输入14转换到高电平时，阈值电压动态地降低，由此可以较低的输入电压导通NFET。
通过在晶体管12的输入14和体区15之间的线路内添加电阻18，可以在本领域已有优点的基础上获得几个独特的优点。首先，通过电阻18，可以在体硅技术中而不是仅仅在绝缘体上硅(SOI)技术中实现DTFET。第二，该设计允许电源电压VDD16高于0.5伏。在输入直接连接到体区上的系统中，电源电压限制在0.5伏以下，否则二极管20将导通并影响栅信号，产生到输出22的少量漏电流，而不是允许全部漏电压VDD施加到输出22。通过添加电阻18，可以限制从输入14到二极管22的电流，所以不会影响栅信号。
参考图2，示出了实现图1的DTNFET的剖面图。在图2中，晶体管12包括利用公知的体材料技术形成在衬底内的体区。此时，DTNFET放置在通过N阱38与P阱衬底40隔离的P阱36内。可以看出晶体管12包括具有P阱接触24的P阱36，允许电阻18直接连接到晶体管的体区。类似地晶体管12包括接收电源VDD16的第一N扩散区30和连接到输出22的第二N扩散区。类似地示出了第三N扩散区34和接触26。晶体管12还包括接收输入14的栅极42。电阻18连接在输入14和P阱接触28之间。应该明白电阻18可以直接集成到晶体管12内，或可以作为单独的分立元件包括其中。
本发明的关键之处包括选择电阻的数值使电路10正常工作。为此，将电阻选择得足够小以使晶体管12体区内的RC延时不太大。此外，又必须将电阻值选择得足够大，以使输入信号电压升高时间高于电阻和输入电容的RC延时。
首先，选择电阻值使RCbody延时小于在输出节点22的信号的上升时间很重要，其中Cbody19为晶体管的体区的电容。换句话说，设计的目的是使晶体管阈值电压的下降快于NFET的实际开关速度。这可以借助输入信号通过电阻18将P阱36高速充电来实现。由此，当输入电压从低电平转换到高电平时，阈值电压下降的速率必须高于晶体管的开关速度。这允许在导通输出线路之前晶体管能动态地调节阈值电压。如果电阻管18选择得太大，在阈值电压降低之前晶体管的输出将转换状态，会负面影响电路的动态效果。
第二，也应该注意应将电阻18选择得足够大以便RCin大于输入信号上升时间V/(dV/dt)，其中R为以欧姆为单位的电阻的数值，Cin21为以法拉为单位的输入电容，V为以伏为单位的电源电压，dV/dt是输入信号的改变速率。这可确保输入信号14不会显著地被二极管20影响。如果栅信号转换的太快，输出22将被电源16快速充得很高，输入信号将不被二极管影响，因为二极管20没有显著地正向偏置。
为了图示和说明介绍了本发明优选实施例的以上说明。不是为了将本发明限制为已公开的确切形式，显然可以根据以上说明作出许多修改和变形。对于本领域的技术人员来说这种修改和变形都包括在由附带的权利要求书限定的本发明的范围内。
权利要求
1．一种半导体器件，包括衬底；形成在衬底内的晶体管，其中所述晶体管包括连接到栅极的输入节点、输出节点和体区；以及动态控制所述晶体管阈值电平的电路，其中所述电路包括连接到晶体管的输入节点和体区的电阻。
2．根据权利要求1的半导体器件，特征在于还包括在晶体管的扩散区形成于其中的衬底内的隔离阱；以及连接到隔离阱的晶体管的体区上的接触，其中接触将电阻连接到阱。
3．根据权利要求1的半导体器件，特征在于电阻的数值大于晶体管的输入阻抗。
4．根据权利要求1的半导体器件，特征在于电阻具有的数值使时间延时RCin大于输入信号上升时间，其中测量的所述输入信号上升时间为V/(dV/dt)；R为电阻的数值；Cin为输入电容；V为电源电压；以及dV/dt是输入信号的改变速率。
5．根据权利要求4的半导体器件，特征在于电阻具有的数值使RCbody小于输出节点信号的上升时间，其中Cbody为晶体管体区的电容。
6．一种晶体管器件，具有动态可调的阈值电平，包括连接到输入节点的栅极；体区，其中体区包括连接到其内形成晶体管的扩散区的隔离阱的接触；以及连接在输入节点和接触之间的电阻。
7．根据权利要求6的晶体管器件，特征在于电阻集成在晶体管器件内。
8．根据权利要求6的晶体管器件，特征在于晶体管分立地连接在体区附近。
9．根据权利要求6的晶体管器件，特征在于电阻具有的数值使时间延时RCin大于输入信号上升时间，其中测量的所述输入信号上升时间为V/(dV/dt)；R为电阻的数值；Cin为输入电容；V为电源电压；以及dV/dt是输入信号的改变速率。
10．根据权利要求9的晶体管器件特征在于电阻具有的数值使RCbody小于输出节点信号的上升时间，其中Cbody为晶体管体区的电容。
11．根据权利要求10的晶体管器件，特征在于电阻具有的数值使晶体管体区的RC延时小于输出节点的信号的上升时间。
12．根据权利要求6的晶体管器件，特征在于还包括连接在体区的接触和输出节点之间的二极管。
全文摘要
介绍了一种动态阈值的场效应晶体管，包括连接在晶体管的输入节点和体区之间的电阻。通过包括这种电阻，DTFET可以在体材料技术中实现，并可以利用大于0.5伏的电源电压。电阻可以集成在晶体管内，或可以作为与晶体管分离的分立元件存在。
文档编号H01L21/70GK1238532SQ9910090
公开日1999年12月15日 申请日期1999年1月5日 优先权日1998年2月6日
发明者E·J·诺瓦克, R·D·罗斯, M·H·汤 申请人:国际商业机器公司