专利名称：电平移动电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种转换逻辑电平的电平移动电路，特別涉及具有功耗低 且进行低电压工作的结构的电平移动电路。
背景技术：
作为现有电平移动电路，例如锁住(latch)式电平移动电路已为人所 知。图1显示这种电平移动电路。
图1的电平移动电路包括两个N型晶体管N51、 N52，两个交叉耦 合式(cross coupled) P型晶体管P51、 P52及反相器INV50，所述两个 P型晶体管P51、 P52的栅极互相连接在对方的漏极上。反相器INV50 转换输入信号IN，例如在1.5V等低电压电源VDD下工作。除了反相器 INV50以外的元件是例如在3.3V等高电压电源VDD3下工作的、在于高 电压一侧的元件。N型晶体管N51、 N52的源极接地，N型晶体管N51、 N52接收互补的信号即输入信号IN和从反相器INV50输出的转换输入信 号IN而得到的信号XIN。 P型晶体管P51、 P52的源极连接在高电压电 源VDD3上，所述P型晶体管P51、 P52的栅极利用交叉耦合连接方式 互相连接在对方的漏极上，所述P型晶体管P51、 P52的漏极分别连接在 N型晶体管N51、 N52的漏极上。将一个P型晶体管P51与一个N型晶 体管N51的连接点假设为节点W51;将另 一个P型晶体管P52与另 一个 N型晶体管N52的连接点假设为节点W52。输出信号OUT从节点W52 输出。
对图1的电平移动电路的工作情况加以说明。在稳定状态下，例如在 输入信号IN为高(H) (VDD)电平且该输入信号IN的反相信号XIN为 低(L) (VSS)电平时，N型晶体管N51处于导通状态；N型晶体管N52 处于截止状态；P型晶体管P51处于截止状态；P型晶体管P52处于导通
状态。此外， 一个节点W51处于低(VSS)电平；另一个节点W52处于 高(VDD3)电平。因为N型晶体管N51及P型晶体管P51、以及N型 晶体管N52及P型晶体管P52分别处于互补的关系，所以在这种稳定状 态下，电流不会流通。
之后，在输入信号IN变为低(VSS)电平而进入了状态迁移阶段时， N型晶体管N51成为截止状态，而N型晶体管N52成为导通状态。因此， 贯通电流(through current)从高电压电源VDD3经过导通状态下的P 型晶体管P52及N型晶体管N52流向接地，节点W52的电位开始从高 (VDD3)电平下降。当节点W52的电位降到VDD3—Vtp (Vtp是P型 晶体管P51、 P52的阅值电压)以下的值后，P型晶体管P51开始导通， 节点W51的电位(P型晶体管P52的栅极的电位)上升，P型晶体管P52 的漏极电流减少，节点W52的电位进一步降低。
最后，节点W51的电位成为高(VDD3)电平，节点W52的电位成 为低(VSS)电平，贯通电流变得不再流通，输出逻辑转换，成为等待下 一次输入信号IN的变化的状态。上面，对输入信号IN从高电平(VDD) 变成低电平(VSS)时的情况进行了说明。不过，在与上述情况相反的情 况下也一样。
作为其他电平移动电路，例如有在专利文献1中记载的电平移动电路。专利文献1日本专利公报专利第3477448号公报
在图1的电平移动电路中，在N型晶体管N51、 N52当导通工作时 的电流小于已进行了交叉耦合连接的P型晶体管P51、 P52当导通工作时 的电流的情况下，即使输入信号IN例如从"高"变为"低"，也不能使输 出信号OUT成为"低"。因此，电平移动电路不再工作。特别是在低电压 电源VDD的电压比较低时，N型晶体管N51、 N52的驱动能力比较弱， 因此在电压比较低时非常难以保证电平移动电路的工作。
若要保证这种电平移动电路在低电压时工作，就例如能够想到下迷方法。
I. 用电荷泵电路等附带的电路增高向N型晶体管N51、 N52输入的 电压。
II. 对N型晶体管N51、 N52采取改变注入条件等措施，来降低阈值
电压。
III.增大N型晶体管N51、 N52的栅极宽度尺寸。
首先，对I的方法进行说明。若采用I的方法，就能够通过用附带的
电路增高向N型晶体管N51、 N52输入的电压来防止N型晶体管N51、
N52的驱动电流能力减弱，能够降低电平移动电路的工作下限电压。但是，
若设置附带的电路，就有电路面积增加这一缺点了。
接着，说明II的方法。若采用II的方法，就能够通过降低N型晶体
管N51、 N52的阈值电压来增强N型晶体管N51、 N52的驱动电流能力，
能够降低电平移动电路的工作下限电压。但是，需要变更注入条件等，有 工序成本变高这一缺点。
最后说明III的方法。若采用III的方法，就能够通过增大栅极宽度尺 寸来增强N型晶体管N51、 N52的驱动电流能力，能够降低电平移动电 路的工作下限电压。但是，若增大晶体管的尺寸，就有电路面积增大这一
缺点了。
上述问题不限于如图1中的结构那样的电平移动电路。在专利文献1 中记载的触发(flip-fl叩)式电平移动电路或其他(电荷泵式或电流镜式) 电平移动电路等具有下述结构的电路都会有同样的问题，该结构是包括 栅极接收由输入信号及该输入信号的反相信号构成的一对互补信号的N 型晶体管。
发明内容
本发明，正是为解决所述问题而研究开发出来的。其目的在于在不 导致电路面积的增大和工序成本的增高的状态下，将电平移动电路设为即 使降低输入信号的电源电压也能够确实地进行电平移动工作。
图8是显示N型晶体管的栅极宽度尺寸与阔值电压的关系的曲线图。 当N型晶体管的栅极宽度为Wnl时，阈值电压为Vtl。在此，如上所述， 当低电压电源VDD降到了 N型晶体管N51、 N52的阈值电压(Vtl)附 近时，N型晶体管N51、 N52的漏极电流减少，结果难以让电平移动电路 进行工作。
然而，如图8所示，在进一步缩小N型晶体管的栅极宽度尺寸的情况 下，发生阈值电压下降这一现象。该现象一般净皮称为逆窄(inverse narrow width)特性或逆窄效应。当栅极宽度尺寸在1到2/im左右以下时，该 逆窄特性明显地表现出来。
因此，在本发明中利用该逆窄特性，通过分割输入一对互补信号的N 型晶体管的栅极宽度尺寸，缩小单位栅极宽度尺寸，来降低N型晶体管的 阈值电压。这样，就能够在不导致电路面积的增大和工序成本的增高的状 态下让电平移动电路进行低电压工作。
就是说，本发明以下述电平移动电路作为接收输入信号并输出转换该 输入信号的逻辑电平而得到的输出信号的电平移动电路，即包括低电压 侧电路部和高电压侧电路部，该低电压侧电路部在第一 电源电压下工作， 并且作为一对互补信号输出所述输入信号及该输入信号的反相信号，该高 电压侧电路部在高于所述第一电源电压的第二电源电压下工作，具有栅极 接收从所述低电压侧电路部输出的所述一对互补信号的一对N型晶体管， 并且输出所述输出信号。所迷一对N型晶体管分別包括长方形扩散区域和 多个柵极，该长方形扩散区域起到漏极和源极的作用，所述多个栅极配置 在所述扩散区域，以所述扩散区域的短边方向作为栅极宽度方向，沿柵极 长度方向排列；各个栅极相互间、各个漏极相互间以及各个源极相互间都 电连接起来；在假定以与所述扩散区域及所述栅极相接的方式包含所述扩 散区域及所述栅极的长方形区域的情况，且栅极长度、柵极从扩散区域突 出的长度、扩散区域从柵极突出的长度以及栅极间距相等的条件下，与在 所述长方形区域以扩散区域的长边方向作为栅极宽度方向进行配置的平面 布置中的栅极总宽度相比，柵极总宽度更窄。
或者，所述N型晶体管分别包括多个长方形扩散区域和多个栅极，所 迷多个长方形扩散区域互相离开，并起到漏极和源极的作用，所述多个栅 极分别配置在所述各个扩散区域，以所述扩散区域的短边方向作为栅极宽 度方向，沿栅极长度方向排列；各个柵极相互间、各个漏极相互间以及各 个源极相互间都电连接起来。
根据本发明，多个栅极配置在长方形扩散区域，以该扩散区域的短边 方向作为柵极宽度方向，沿栅极长度方向排列。或者，多个栅极配置在互 相离开的长方形扩散区域，以所述扩散区域的短边方向作为栅极宽度方向，
沿栅极长度方向排列。通过采用这种平面布置方式，就能将N型晶体管的 单位栅极宽度尺寸设为很小的值，能够利用上述逆窄特性降低N型晶体管 的阈值电压。
因此，栅极作为一对互补信号接收输入信号及该输入信号的反相信号 的一对N型晶体管由阈值电压很低的晶体管构成，因而即使将输入信号的 电源电压设为进一步低的电压，所述N型晶体管也与预期一样地工作，确 实地进行电平移动工作。而且，因为不需要将该N型晶体管的栅极宽度尺 寸设为很大的值或追加附带的电路，所以平面布置面积不会变大，此外， 因为不需要在注入条件等方面变更工序，所以还能够抑制工序成本的增高。
一发明的效果一
根据本发明，在不导致电路面积的增大和工序成本的增高的状态下， 能够实现即使将输入信号的电源电压设为进一步低的值也能够确实地进行 稳定的电平移动工作的电平移动电路。
图1是显示能够采用本发明的电平移动电路之一例的结构的图。 图2是显示本发明的第一实施方式所涉及的N型晶体管的平面布置结 构的图。
图3是显示本发明的第一实施方式所涉及的N型晶体管的平面布置结 构的其他例子的图。
图4是显示本发明的第二实施方式所涉及的N型晶体管的平面布置结 构的图。
图5是显示本发明的第二实施方式所涉及的N型晶体管的平面布置结 构的其他例子的图。
图7是作为比较例显示N型晶体管的平面布置结构的图。
图8是显示晶体管的栅极宽度尺寸和阅值电压之间的关系的图。
符号说明
N51、 N52 —N型晶体管；1、 1A、 1B —扩散区域；2 —接点；3 —栅 极；4一漏极；5 —源极；ll一漏电流切断电路；IN—输入信号；XIN —反
相信号；OUT —输出信号；X—长方形区域；L—栅极长度；GO —栅极从 扩散区域突出的长度；DO —扩散区域从栅极突出的长度；GS —栅极间距。
具体实施例方式
下面，参照附图，乂于本发明的实施方式力p以i兌明。
(第一实施方式)
图1显示能够釆用本发明的电平移动电路的结构之一例。图1的电平 移动电路接收输入信号IN,对转换该输入信号IN的逻辑电平而得到的输 出信号OUT进行输出。低电压侧电路部在第一电源电压VDD下工作，作 为 一对互补信号输出输入信号IN及用反相器INV50得到的、输入信号IN 的反相信号XIN。高电压侧电路部在高于第一电源电压VDD的第二电压 VDD3下工作，具有栅极接收从低电压侧电路部输出的一对互补信号IN、 XIN的N型晶体管N51、 N52。因为工作的详细情况与在背景技术一栏 中所述的情况一样，所以在此省略说明。
补充说明一下，本发明不限于如图1中的结构那样的电平移动电路， 也可以将本发明用于专利文献1所述的触发式电平移动电路及其他(电荷
泵式或电流镜式)电平移动电路等等。就是说，只要是接收输入信号并对 转换该输入信号的逻辑电平而得到的输出信号进行输出并且具有下述结构 的电平移动电路，就可以采用本发明，该结构是具有低电压侧电路部和 高电压侧电路部，该低电压侧电路部在第 一 电源电压下工作，作为 一对互 补信号输出输入信号及该输入信号的反相信号；该高电压侧电路部在高于 第一电源电压的第二电源电压下工作，具有柵极接收从低电压侧电路部输 出的一对互补信号的一对N型晶体管，对输出信号进行输出。
图2是显示例如图1的电平移动电路中的N型晶体管N51及N52那 样的、栅极接收由输入信号及该输入信号的反相信号构成的一对互补信号 的一对N型晶体管在本实施方式中的具体平面布置结构的图。
如图2所示，本实施方式所涉及的N型晶体管包括起到漏极4和源 极5的作用的长方形扩散区域1、以及以扩散区域1的短边方向作为栅极 宽度方向配置为沿柵极长度方向排列的多个柵极3。在各个漏极4及各个 源极5中形成有用以与布线连接的接点2。各个漏极4相互间通过布线连接起来，各个栅极3相互间通过布线也连接起来，各个源极5相亙间通过 布线也连接起来。单位栅极宽度尺寸为Wn2。
在此，假定以与扩散区域1及栅极3相接的方式包含该扩散区域1及 该栅极3的长方形区域X。将长方形区域X的宽度假设为W，将该长方形 区域X的高度假设为H (H>W)。在图2的平面布置中，长方形区域X 的短边方向(宽度方向)为栅极宽度方向。
图7是显示作为本实施方式的比较例的N型晶体管的平面布置结构的 图。在与图2—样地假定宽度为W且高度为H的长方形区域X的情况下， 通常如图7所示将平面布置构成为栅极沿长方形区域X的高度方向延伸， 以确保尽量大的栅极宽度尺寸。就是说，在图7的平面布置中，长方形区 域X的长边方向(高度方向)为栅极宽度方向。单位柵极宽度尺寸为Wnl。
与此相对，在本实施方式中，在假定宽度为W且高度为H (H〉W) 的长方形区域X的情况下，虽然栅极总宽度尺寸比较小，但是将平面布置 构成为栅极沿长方形区域X的宽度方向延伸，以将单位柵极宽度尺寸设为 更小的值，如图2所示。
在此，将栅极长度假设为L;将栅极从扩散区域突出的长度假设为GO; 将扩散区域从栅极突出的长度假设为DO;将栅极间距假设为GS。
在图2的平面布置中，当将栅极条数假设为m时，N型晶体管的栅极 总宽度为Wn2Xm，
Wn2 = W —2XGO
m= (H —2XDO —L) / (L + GS)的整数项。 另一方面，在图7的平面布置中，当将柵极条数假设为n时，N型晶 体管的栅极总宽度为WnlXn, Wnl = H — 2XGO
n= (W — 2XDO —L) / (L + GS)的整数项。
在柵极长度L、栅极从扩散区域突出的长度GO、扩散区域从栅极突 出的长度DO以及栅极间距GS相等的条件下，图2的平面布置中的柵极 总宽度在有些情况下小于图7的平面布置中的栅极总宽度。就是说，
WnlXn^Wn2Xm
然而，连在这种情况下也能够利用图8所示的逆窄特性将阈值电压降
低得比图7的平面布置中的阈值电压低。虽然栅极总宽度比较窄，但是因 为阈值电压比较低，N型晶体管的电流能力随之提高，所以能够进一步减 低工作下限电压。就是说，在图2的平面布置中，低电压时的N型晶体管 的驱动电流能力更强，能够减低电平移动电路的工作下限电压。此外，即 使栅极总宽度变窄也能够降低工作下限电压，这意味着还能够减小为N型 晶体管需要的面积本身。
因此，通过将本实施方式所涉及的平面布置用于输入一对互补信号的 N型晶体管，就即使在将低电压电源的电压设为更低的值的情况下，因为 该N型晶体管的阈值电压很低，所以该N型晶体管也与预期一样地工作。 因此，确实地进行电平移动工作。而且，因为不需要增大N型晶体管的栅
极宽度尺寸或追加附带的电路，所以平面布置面积不会变大。此外，因为 不需要在注入条件等工序方面进行变更，所以能够抑制工序成本的增高。 图3是显示本实施方式所涉及的平面布置的其他例子的图。图3的平 面布置与图2的平面布置大致一样，但是与图2相比单位栅极宽度尺寸 Wn3更小。可以将单位柵极宽度尺寸Wn3缩小到在制造工序方面能够保 证特性的栅极宽度尺寸中最小的栅极宽度尺寸为止。在这种情况下，形成 在各个漏极4及各个源极5中的接点2的个数最好分别在两个以下。通过 进一步缩小单位栅极宽度尺寸Wn3，就能够进一步减低N型晶体管的阈 值电压。因此，能够在更低的电压下进行工作。 (第二实施方式)
图4是显示电平移动电路中的、柵极接收一对互补信号的一对N型晶
体管在本实施方式中的具体平面布置结构的图。
如图4所示，本实施方式所涉及的N型晶体管包括互相离开的多个(在 图4中为两个)长方形扩散区域1A及1B和多个栅极3;所述扩散区域 1A及1B起到漏极4及源极5的作用；所述多个柵极3以扩散区域1A及 1B的短边方向作为栅极宽度方向，配置为沿栅极长度方向排列。在各个 漏极4和源极5中形成有用以与布线连接的接点2。各个漏极4相互间通 过布线连接起来，各个栅极3相互间通过布线也连接起来，各个源极5相 互间通过布线也连接起来。单位柵极宽度尺寸为Wn2。
在图4的平面布置中，当将栅极条数假设为m并且将扩散区域的个数
假设为1时，N型晶体管的栅极总宽度为
Wn2XmXl。
能够通过如图4的平面布置那样设置互相离开的扩散区域，来将单位 栅极宽度尺寸Wn2设为十分小的值。这样，就能够利用图8所示的逆窄 特性将阈值电压降低到比图7的平面布置的阈值电压低。这样，N型晶体 管的电流能力就提高，因而能够进一步减低工作下限电压。就是说，图4 的平面布置中的N型晶体管当低电压时的驱动电流能力更强，能够减低电 平移动电路的工作下限电压。
因此，通过将本实施方式所涉及的平面布置用于输入一对互补信号的 N型晶体管，就即使将低电压电源的电压设为更低的值，因为该N型晶体 管的阈值电压很低，所以该N型晶体管也与预期一样地工作。因此，确实 地进行电平移动工作。
补充说明一下，在图4的平面布置中，设置两个互相离开的扩散区域。 但是，也可以设置三个以上的互相离开的扩散区域。此外，在图4的平面 布置中，配置在扩散区域1A的各个栅极和配置在扩散区域1B的各个栅 极形成在同一条直线上，成为一体作为栅极3。但是，各个扩散区域的各 个栅极也可以未形成在同一条直线上。此外，在图4的平面布置中，扩散 区域1A、 1B配置为沿所述扩散区域1A、 1B的短边方向棑列。但是，也 可以采用与这种配置方式不同的配置方式。
图5是显示本实施方式所涉及的平面布置的其他例子的图。图5的平 面布置与图4的平面布置大致一样，但是与图4相比单位柵极宽度尺寸 Wn3更小。可以将单位柵极宽度尺寸Wn3缩小到在制造工序方面能够保 证特性的柵极宽度尺寸中最小的栅极宽度尺寸为止。在这种情况下，形成 在各个漏极4及各个源极5中的接点2的个数最好分别在两个以下。通过 进一步缩小单位栅极宽度尺寸Wn3,就能够进一步减低N型晶体管的阈 值电压。因此，能够在更低的电压下工作。
补充说明一下，有可能N型晶体管的漏电流通过采用所述各个实施方 式所示的平面布置而增加。因此，如图6所示，最好将漏电流切断电路ll 设置在电平移动电路中。漏电流切断电路11起到下述作用，即当N型 晶体管N51及N52中的任一个N型晶体管成为截止状态时切断该N型晶
体管的漏电流。补充说明一下，在图6的结构中，漏电流切断电路ll设 置在比N型晶体管N51、 N52靠近接地一侧的位置上。但是，也可以将 该漏电流切断电路11设置在比N型晶体管N51、 N52靠近电源一侧的位 置上。
补充说明一下，应该认为上述各个实施方式到底是示例的，没有加以 限制的意义。例如，在各个实施方式中显示的平面布置不限于如图l的结 构那样的电平移动电路，也可以将该平面布置用于在专利文献1中记载的 触发式电平移动电路及其他(电荷泵式或电流镜式)电平移动电路等等。
—工业实用性一
为了实现下述电平移动电路，本发明很有用，该电平移动电路是即 使将输入信号 一 侧的低电压电源设为很低的电压，也能够 一 边谋求低功耗 化， 一边^f呆证工作的电平移动电路。
权利要求
1. 一种电平移动电路，接收输入信号并输出转换该输入信号的逻辑电平而得到的输出信号，包括低电压侧电路部和高电压侧电路部，该低电压侧电路部在第一电源电压下工作，并且作为一对互补信号输出所述输入信号及该输入信号的反相信号，该高电压侧电路部在高于所述第一电源电压的第二电源电压下工作，具有栅极接收从所述低电压侧电路部输出的所述一对互补信号的一对N型晶体管，并且输出所述输出信号，其特征在于所述一对N型晶体管分别包括长方形扩散区域，起到漏极和源极的作用，和多个栅极，配置在所述扩散区域，以所述扩散区域的短边方向作为栅极宽度方向，沿栅极长度方向排列；各个栅极相互间、各个漏极相互间以及各个源极相互间都电连接起来；在假定以与所述扩散区域及所述栅极相接的方式包含所述扩散区域及所述栅极的长方形区域的情况，且栅极长度、栅极从扩散区域突出的长度、扩散区域从栅极突出的长度以及栅极间距相等的条件下，与在所述长方形区域以扩散区域的长边方向作为栅极宽度方向进行配置的平面布置中的栅极总宽度相比，栅极总宽度更窄。
2. 根据权利要求l所述的电平移动电路，其特征在于 在各个漏极和各个源极中形成有接点；形成在各个漏极及各个源极中的接点的个数分别在两个以下。
3. 根据权利要求1所述的电平移动电路，其特征在于 所述电平移动电路还包括漏电流切断电路，当所述一对N型晶体管中的任一个N型晶体管成为截止状态时，该漏电流切断电路切断该N型晶 体管的漏电流。
4. 一种电平移动电路，接收输入信号并输出转换该输入信号的逻辑 电平而得到的输出信号，包括低电压侧电路部和高电压侧电路部，该低电 压侧电路部在第一电源电压下工作，并且作为一对互补信号输出所述输入 信号及该输入信号的反相信号，该高电压側电路部在高于所述第 一 电源电 压的第二电源电压下工作，具有栅极接收从所述低电压侧电路部输出的所述一对互补信号的一对N型晶体管，并且输出所述输出信号，其特征在于 所述N型晶体管分别包括多个长方形扩散区域，互相离开，并起到漏极和源极的作用，和 多个栅极，分別配置在所述各个扩散区域，以所述扩散区域的短边方 向作为栅极宽度方向，沿栅极长度方向排列；各个栅极相互间、各个漏极相互间以及各个源极相互间都电连接起来。
5. 根据权利要求4所述的电平移动电路，其特征在于 所述各个扩散区域配置为沿所述各个扩散区域的短边方向棑列。
6. 根据权利要求5所述的电平移动电路，其特征在于 配置在所述各个扩散区域的各个栅极与配置在相邻的扩散区域的各个栅极形成在同一条直线上。
7. 根据权利要求4所述的电平移动电路，其特征在于 在各个漏极和各个源极中形成有接点；形成在各个漏极及各个源极中的接点的个数分别在两个以下。
8. 根据权利要求4所述的电平移动电路，其特征在于 所述电平移动电路包括漏电流切断电路，当所述一对N型晶体管中的任一个N型晶体管成为截止状态时，该漏电流切断电路切断该N型晶体 管的漏电流。
全文摘要
本发明公开了一种电平移动电路。为栅极作为一对互补信号接收输入信号及该输入信号的反相信号的一对N型晶体管采用能设单位栅极宽度尺寸为很小的值的平面布置。该平面布置结构包括互相离开并起到漏极(4)及源极(5)的作用的多个长方形扩散区域(1A)、(1B)和以各个扩散区域(1A)、(1B)的短边方向作为栅极宽度方向配置为沿栅极长度方向排列的多个栅极(3)，各个栅极(3)相互间、各个漏极(4)相互间及各个源极(5)相互间都电连接起来。因此，在不导致电路面积的增大和工序成本的增高的状态下，即使将输入信号的电源电压设为很低的电压也能让电平移动电路确实地进行电平移动工作。
文档编号H03K19/0185GK101388663SQ200810135708
公开日2009年3月18日 申请日期2008年7月3日 优先权日2007年9月10日
发明者宇佐美志郎 申请人:松下电器产业株式会社