專利名稱：具有減少的寄生電容的mos電容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在諸如電荷泵、調(diào)壓器、放大器等模擬電路中應(yīng)用的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容器，尤其涉及在這種電容器中減少寄生電容的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在標(biāo)準(zhǔn)單層多晶(single poly)CMOS(互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝中，柵極電容器是具有大電容的容性元件。這些電容器不僅具有想要的柵極電容，而且具有寄生電容，這些寄生電容與諸如阱和擴(kuò)散的二極管元件有關(guān)。
圖1中示出了MOS電容器10的例子。該MOS電容器10包括設(shè)置在柵極氧化層12上的導(dǎo)電層11，柵極氧化層12設(shè)置在具有兩個n+擴(kuò)散14的半導(dǎo)體襯底上，兩個n+擴(kuò)散14與N-阱16相接觸，N-阱16覆蓋在P-襯底18之上。MOS電容器10的陽極是柵極端子，即，與覆蓋在柵極氧化層12上的導(dǎo)電層相連接的接線端。兩個n+擴(kuò)散14形成陰極(源極-漏極)。
當(dāng)向陽極施加正電壓時，在柵極氧化物-半導(dǎo)體結(jié)處形成積累層，并且該電容是柵極電容。也可以通過形成兩個擴(kuò)散p+，并具有分開的與阱的n+接觸(未示出)，將其構(gòu)造成積累電容器(accumulationcapacitor)來得到相同的電容。一旦Vg(柵極電勢或正/負(fù)極電勢)高于該電容器的閾值電壓，兩種類型的電容器實質(zhì)上呈現(xiàn)出相同的電容。MOS電容器10還在它的陰極呈現(xiàn)出寄生電容，該寄生電容是由在N-阱16和P-襯底18之間形成的寄生二極管電容器20造成的。該寄生二極管電容器20由二極管的面積和空間電荷層厚度決定，可以是柵極電容的20％。
這樣的MOS電容器被應(yīng)用在各種模擬電路中，例如電荷泵。圖2中示出了四相Dickson-型電荷泵，而圖3中示出了泵的單級。題目為“Charge Pump Stage with Body Effect Minimization”的美國專利申請2002/0145464提供了電荷泵和單級如何操作的說明，在此將其全部引入作為參考。以下參考圖2和3給出簡要的說明。
電荷泵典型的包括多個串級，它們逐漸地將電壓升高到更高的電平。電荷泵是通過逐漸地在作為電容器-二極管組合的一部分的電容器上存儲更多的電荷來運行的，將幾個這樣的級一同置于網(wǎng)絡(luò)中、以獲得所需要的電壓升高。二極管的功能是防止電容器在其上放置另外的電荷之前放電。
圖2的電荷泵電路包括多個串聯(lián)連接的電荷轉(zhuǎn)移晶體管(參考字母m(i))。在圖2中，示出了四個這樣的電荷轉(zhuǎn)移晶體管，標(biāo)記為m1，m2，m3和m4。所述電荷轉(zhuǎn)移晶體管可以使用但不限于CMOS技術(shù)，作為n-溝道或p-溝道(NMOS或PMOS)場效應(yīng)晶體管(FET)。NMOS通常用于泵激(pump)正電壓(圖2中示例的情況)，而PMOS通常用于泵激負(fù)電壓。MOSFET具有控制電極(即柵極)、第一電極(即漏極)和第二電極(即源極)，它們連接到節(jié)點，如下所述。(因為MOSFET是典型的對稱元件，只有在晶體管的接線端上施加了電壓時，才可能真正指定“源”和“漏”。因此，在整個本說明書中，應(yīng)該在最寬的含義上理解源極和漏極的指定。)優(yōu)選地，電荷轉(zhuǎn)移晶體管mi的體(bulk)連接到參考線(為了簡明沒有示出)，用于接收參考電壓，在NMOS的情況下參考電壓通常是地。
電荷轉(zhuǎn)移晶體管m1的源極連接到節(jié)點n0，節(jié)點n0與Vdd相連。電荷轉(zhuǎn)移晶體管m1的柵極連接到節(jié)點g1，并且漏極連接到節(jié)點n1。電荷轉(zhuǎn)移晶體管m2的源極連接到節(jié)點n1，柵極連接到節(jié)點g2，并且漏極連接到節(jié)點n2。電荷轉(zhuǎn)移晶體管m3的源極連接到節(jié)點n2，柵極連接到節(jié)點g3，并且漏極連接到節(jié)點n3。同樣地，電荷轉(zhuǎn)移晶體管m4的源極連接到節(jié)點n3，柵極連接到節(jié)點g4，并且漏極連接到節(jié)點n4。
諸如從脈沖發(fā)生器(未示出)提供雙相、非重疊脈沖序列PH1和PH2。非重疊是指一個脈沖的0到1和1到0的電壓轉(zhuǎn)換從不與另一個脈沖的轉(zhuǎn)換相重疊。PH1和PH2相將能量注入到泵，分別通過大電容器C1、C2、C3和C4注入到節(jié)點n1、n2、n3和n4。通過連接節(jié)點n(i-1)和n(i)的電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)，電荷沿著泵轉(zhuǎn)移。
類似地，還提供了雙相、非重疊脈沖序列PH1A和PH2A。PH1A和PH2A相將能量注入到泵，分別通過小電容器C1A、C2A、C3A和C4A注入到節(jié)點g1、g2、g3和g4。電容器C1A、C2A、C3A和C4A優(yōu)選地具有比大電容器C1、C2、C3和C4小很多的電容。
可以提供多個輔助晶體管ti(即t1、t2、t3和t4)。每一個輔助晶體管t(i)將其漏極連接到每一個電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)(即分別為m1、m2、m3和m4)的柵極節(jié)點g(i)。每一個輔助晶體管t(i)的源極連接到每一個電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)的源極(即節(jié)點n(i-1))。每一個輔助晶體管t(i)的柵極連接到每一個電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)的漏極(即節(jié)點n(i))。每一個輔助晶體管t(i)的體連接到每一個電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)的體，通常將體接地。輔助晶體管t(i)和PH1A和PH2A相控制電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)柵極電壓。
現(xiàn)在說明泵的第一級的操作，隨后所有的級按照相同的方式操作。操作隨著PH1相的開始升高而開始。最初，電荷轉(zhuǎn)移晶體管m1和m2是不導(dǎo)電的(即關(guān)斷)，因為PH1A和PH2A相處于低相位。然后PH1相完全升高并將能量注入到節(jié)點n1，將節(jié)點n1提高(或“推”)到一個電壓，該電壓被升高到高于Vdd，比如2Vdd。節(jié)點n1的升高通過輔助晶體管t1迫使節(jié)點g1到Vdd。因為電荷轉(zhuǎn)移晶體管m1的源極在節(jié)點n0與Vdd連接，所以電荷轉(zhuǎn)移晶體管m1的柵極-源極偏壓Vgs為0，確保晶體管m1被關(guān)斷。
很短時間之后，典型地為幾納秒的數(shù)量級，PH1A相上升，使得電荷轉(zhuǎn)移晶體管m2導(dǎo)電(即導(dǎo)通)。在這期間，節(jié)點n1電壓高于節(jié)點n2。如剛剛提到的那樣，因為電荷轉(zhuǎn)移晶體管m2導(dǎo)電，將電荷從節(jié)點n1轉(zhuǎn)移到節(jié)點n2。在下一個相位期間，PH2相上升而PH1相下降。這導(dǎo)致節(jié)點n1下降而節(jié)點n2上升，因此導(dǎo)致電荷從節(jié)點n2轉(zhuǎn)移到節(jié)點n3。按照這種方式電荷沿著泵轉(zhuǎn)移。當(dāng)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移時，相對于節(jié)點n(i)，每一個節(jié)點g(i)都被Vdd升高。在泵的末級中，源極和漏極節(jié)點(即節(jié)點n3和n4)被提高，并大大高于體，體通常接地。
相應(yīng)地，在電荷泵中，通過時鐘信號PH1和PH2的震蕩，經(jīng)由大電容器C1-C4注入能量。再參考圖1，MOS電容器10的陰極可以連接到時鐘之一，而陽極可以連接到泵的內(nèi)部節(jié)點n1-n4。陰極的震蕩通過寄生電容器20將電流泄漏到地(GND)。由于泵電容器C1-C4很大，所以與寄生電容器相關(guān)的寄生電流可以是泵的功耗的顯著的一部分，并可以在總功耗的20-50％的范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求提供用于減小在模擬電路中的MOS寄生電容的影響的電路(裝置和方法)，如以下的詳細(xì)說明。
根據(jù)本發(fā)明的實施例提供了一種電容器，該電容器包括容性地耦合到第二有源層的第一有源層，第二有源層容性地耦合到第三層，第三層容性地耦合到第四層，其中電容器的陽極連接到第一和第二有源層中的一個，并且電容器的陰極連接到第一和第二有源層中的另外一個，其中第三層是浮動的。第四層可以連接到電源電壓，比如但不限于地。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，電容器可以是反轉(zhuǎn)或積累電容器。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明的實施例，第一有源層可以是柵極，第二有源層可以是P-阱，第三層可以是N-阱，以及第四層可以是P-襯底。例如，在反轉(zhuǎn)電容器的情況下，兩個n+擴(kuò)散區(qū)可以形成在P-阱中，并連接到電容器的陰極，其中一個P+擴(kuò)散區(qū)形成在P-阱中，并連接到電容器的體，其中一個n+擴(kuò)散區(qū)形成在N-阱中，陽極連接到柵極并通過柵極容性地耦合到陰極，并且其中P-阱通過第一寄生二極管電容器容性地耦合到N-阱，而N-阱通過第二寄生二極管電容器容性地耦合到P-襯底。
例如，在積累電容器的情況下，兩個p+擴(kuò)散區(qū)可以形成在P-阱中，并連接到電容器的陽極，其中一個n+擴(kuò)散區(qū)形成在N-阱中，陰極連接到柵極并通過柵極容性地耦合到陽極，并且其中P-阱通過第一寄生二極管電容器容性地耦合到N-阱，而N-阱通過第二寄生二極管電容器容性地耦合到P-襯底。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，該電容器可以連接到電荷泵的一級。例如，電容器的陽極可以連接到電荷泵的一級的電荷轉(zhuǎn)移晶體管的漏極，電容器的陰極可以連接到電荷泵的一級的時鐘信號，而浮動的第三層例如通過開關(guān)可以連接到電壓(比如刷新電壓)或電荷泵的一級的泵輸出。
另外，根據(jù)本發(fā)明的實施例，該電容器可以連接到電子電路，例如運算放大器的輸入級。


通過以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，將會更充分地理解和認(rèn)識本發(fā)明，其中圖1是當(dāng)前技術(shù)的具有寄生二極管電容器的典型MOS電容器的簡化電路圖；圖2和3是一般在當(dāng)前技術(shù)中使用的電荷泵結(jié)構(gòu)的簡化電路圖，包括閾值電壓消除四相Dickson-型電荷泵，其中圖2示出了電荷泵的四個級，圖3示出了電荷泵的單個通用極；圖4A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例構(gòu)造和操作的，具有低寄生電容的MOS電容器的簡化電路圖，將其構(gòu)成反轉(zhuǎn)電容器；圖4B是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例構(gòu)造和操作的，具有低寄生電容的MOS電容器的簡化電路圖，將其構(gòu)成積累電容器；圖5是圖4A的MOS電容器的簡化符號的表示；圖6是利用圖4A或4B的根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造和操作的MOS電容器的電荷泵的單個通用級的簡化電路圖；圖7是圖6的電荷泵的一級的仿真的簡化曲線圖，其中橫坐標(biāo)是以μs為單位的時間，縱坐標(biāo)是以V為單位的節(jié)點電壓；以及圖8利用圖4A或4B的根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造和操作的MOS電容器的全差分運算放大器的輸入級的簡化電路圖。
具體的實施方式參看圖4A，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造和操作的具有低寄生電容的MOS電容器30。
在這個實施例中，MOS電容器30包括3-阱NMOS器件，并且它是一個反轉(zhuǎn)電容器的例子。該3-阱NMOS器件包括P-阱32，P-阱32通過N-阱34與P-襯底36隔離。兩個n+擴(kuò)散區(qū)38和40可以形成在P-阱32中，用于連接MOS電容器30的陰極(源極和漏極)。一個p+擴(kuò)散區(qū)42可以形成在P-阱32中，用于連接體(例如，連接到源極)。一個n+擴(kuò)散區(qū)44可以形成在N-阱34中，其可以連接到浮動電壓，并被指定為阱接觸(其可以但并不必須等于或高于p+)。柵極氧化物46(也稱為柵極46)可以構(gòu)成在P-阱32的頂部上。導(dǎo)電層47可以設(shè)置在柵極氧化物46上。P-襯底36可以連接到電源電壓(Vsupply)，例如電源電壓可以是地。
注意n+擴(kuò)散區(qū)38和40(源級和漏極)和p+擴(kuò)散區(qū)42被短路到陰極，而柵極是陽極。陽極通過柵極氧化物46容性地耦合到陰極。P-阱32通過第一寄生二極管電容器43容性地耦合到N-阱34。同樣，N-阱34通過第二寄生二極管電容器45容性地耦合到P-襯底36。陽極和陰極是MOS電容器30的有源層。
圖5示出了MOS晶體管30的符號表示。連接關(guān)系是A為陽極，C為陰極以及W為浮動的N-阱34。
圖4A中所示的3-阱NMOS器件可以在大多數(shù)模擬CMOS工藝和EPROM(可擦除、可編程只讀存儲器)工藝中實現(xiàn)，在這些工藝中使用了電荷泵，使得沒有附加的工藝成本，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知。
如上提到的，N-阱34可以是浮動的，其導(dǎo)致寄生電容器43和45有效地串聯(lián)連接。串聯(lián)連接兩個電容Ci和Cj導(dǎo)致等效電容Ceq為1/Ceq＝1/Ci+1/Cj例如，如果寄生電容器43和45的電容相等，等效電容是寄生電容器43或45的一半。這樣，通過這一連接，可以使寄生阱電容減小2倍。另外，因為寄生電容器43或45的電容與其空間電荷層厚度成反比，所以優(yōu)選地將N-阱34提高到最高的可能電壓，然后使其在該電壓浮動，以使空間電荷層最厚。這將導(dǎo)致兩個寄生二極管電容器43和45都具有最小的電容。在操作期間，N-阱34可以被周期性地刷新，使得它不會漂移。這可以通過將其連接到刷新電壓來實現(xiàn)，比如但不限于，很短時間(20ns)的有效電壓Vref，所述很短的時間優(yōu)選為在使用該電容器的電路不活動的周期期間。
參見圖4B，圖4B示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施例構(gòu)造和操作的具有低寄生電容的MOS電容器50。
在這個實施例中，MOS電容器50是3-阱MOS電容器(非NMOS)，并且它是一個積累電容器的例子。該3-阱MOS電容器包括P-阱52，P-阱52通過N-阱54與P-襯底56隔離。P-襯底56可以連接到電源電壓(Vsupply)，例如電源電壓可以是地。兩個p+擴(kuò)散區(qū)58和60可以形成在P-阱52中，用于連接MOS電容器50的陽極(源極和漏極)。一個n+擴(kuò)散區(qū)62可以形成在N-阱54中，其可以連接到浮動電壓(如圖4A中的阱接觸)。柵極氧化物64(也稱為柵極64)可以構(gòu)成在P-阱52的頂部上。導(dǎo)電層67可以設(shè)置在柵極氧化物64上。P-阱52通過第一寄生二極管電容器63容性地耦合到N-阱54。同樣，N-阱54通過第二寄生二極管電容器65容性地耦合到P-襯底56。
在這個實施例中，MOS電容器50的陰極在柵極，且p+擴(kuò)散區(qū)58和60連接到陽極。按照與上述MOS晶體管30相似的方式，通過使N-阱54浮動，可以減小陽極寄生電容。
參見圖6，圖6示出了分別使用了圖4A或4B的MOS電容器30或50的電荷泵的通用單個級70，MOS電容器30或50是根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造和操作的。
除了分別加入了圖4A或4B的MOS電容器30或50，電荷泵的一級70可以按照(但不必須)與上述美國專利申請2002/0145464相似的方式進(jìn)行操作。電容器30或50的陽極(A節(jié)點)可以連接到電荷泵的一級70的節(jié)點n(i)，意味著陽極連接到NMOS電荷轉(zhuǎn)移晶體管m(i)的漏極。電容器30或50的陰極(C節(jié)點)可以連接到電荷泵的一級70的脈沖序列(即時鐘信號)PH。電容器30或50的W節(jié)點(即分別連接到浮動N-阱34或54的節(jié)點)通過開關(guān)S1可以連接到電荷泵的一級70的泵輸出。
最初可以使開關(guān)S1導(dǎo)電，以將N-阱34或54充電，并達(dá)到泵輸出。充電完成后，可以使開關(guān)S1不導(dǎo)電，使得N-阱34或54浮動。為了刷新N-阱34或54，可以使開關(guān)S1周期性地在很短時間內(nèi)導(dǎo)電。例如，可以使開關(guān)S1每5μs導(dǎo)電100ns。這意味著在5μs中有4.9μs(98％的時間)電路將處于省電模式中。
參考圖7，圖7示出了在操作期間電荷泵的一級70的仿真波形。節(jié)點PH、級輸入(節(jié)點n(i-1))、級輸出(節(jié)點n(i))和W(分別連接到浮動的N-阱34或54的節(jié)點)的波形分別由參考數(shù)字81、82、83和84指定。
在諸如圖3的當(dāng)前技術(shù)電荷泵的一級中，PH的震蕩會穿過寄生N-阱電容器到地，這樣導(dǎo)致功率損失。在本發(fā)明中，在W節(jié)點處的震蕩幅度(大約1伏特)大概是PH震蕩幅度(大約2伏特)的一半(可以通過在圖7中分別比較波形84和81看到)，這樣，功率損失也減半。
參看圖8，圖8示出了使用了圖4A的MOS電容器30(反轉(zhuǎn)電容器)的全差分運算放大器(運-放)的輸入級，MOS電容器30根據(jù)本發(fā)明的實施例構(gòu)造和操作。應(yīng)該理解的是圖4B的MOS電容器50(積累電容器)也可以應(yīng)用在運-放中。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，這只是電容器可以與之連接的電子電路的一個例子，而在本發(fā)明的范圍內(nèi)電容器可以連接到電子電路的其它例子。
在示出的實施例中，一對MOS電容器30可以用作全差分放大器90的輸入電容。相對弱的輸入信號IP1和IP2必須被放大。通過使W節(jié)點在電壓Vfloat浮動，輸入阻抗減小。在一些應(yīng)用中，這兩個輸入端之一可以是參考信號，并可以并聯(lián)地連接到許多這樣的放大器；這樣輸入阻抗可以是一個關(guān)鍵的參數(shù)。這樣的應(yīng)用可以是在EPROM芯片中的讀出放大器，為其將參考電流與單元電流進(jìn)行比較。在很多情況下，對于一組可以驅(qū)動很多這些電容器的讀出放大器來說可以有單個參考，這將十分顯著地減少寄生電容。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于以上示出和說明的具體例子。本發(fā)明的范圍僅由以下權(quán)利要求書所定義。
權(quán)利要求
1.一種電容器，包括容性地耦合到第二有源層的第一有源層，所述第二有源層容性地耦合到第三層，所述第三層容性地耦合到第四層，其中該電容器的陽極連接到所述第一和第二有源層中的一個，并且該電容器的陰極連接到所述第一和第二有源層中的另外一個，并且其中使所述第三層浮動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述第四層連接到電源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容器，其中所述電源電壓是地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述電容器包括反轉(zhuǎn)電容器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述第一有源層是柵極，所述第二有源層是P-阱，所述第三層是N-阱以及所述第四層是P-襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容器，其中兩個n+擴(kuò)散區(qū)形成在所述P-阱中，并連接到所述電容器的陰極，其中一個p+擴(kuò)散區(qū)形成在所述P-阱中，并連接到所述電容器的體，其中一個n+擴(kuò)散區(qū)形成在所述N-阱中，陽極連接到柵極并通過柵極容性地耦合到陰極，并且其中所述P-阱通過第一寄生二極管電容器容性地耦合到所述N-阱，而所述N-阱通過第二寄生二極管電容器容性地耦合到所述P-襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述電容器包括積累電容器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電容器，其中兩個p+擴(kuò)散區(qū)形成在所述P-阱中，并連接到所述電容器的陽極，其中一個n+擴(kuò)散區(qū)形成在所述N-阱中，陰極連接到柵極并通過柵極容性地耦合到陽極，并且其中所述P-阱通過第一寄生二極管電容器容性地耦合到所述N-阱，而所述N-阱通過第二寄生二極管電容器容性地耦合到所述P-襯底。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述電容器連接到電荷泵的一級。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電容器，其中所述電容器的陽極連接到所述電荷泵的一級的電荷轉(zhuǎn)移晶體管的漏極，所述電容器的陰極連接到所述電荷泵的一級的時鐘信號，以及浮動的所述第三層連接到一個電壓。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電容器，其中浮動的所述第三層連接到刷新電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電容器，其中浮動的所述第三層連接到所述電荷泵的一級的泵輸出。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容器，其中所述電容器連接到電子電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容器，其中所述電容器連接到運算放大器的輸入級。
全文摘要
一種電容器，該電容器包括容性地耦合到第二有源層的第一有源層，第二有源層容性地耦合到第三層，第三層容性地耦合到第四層，其中電容器的陽極連接到第一和第二有源層中的一個，而電容器的陰極連接到第一和第二有源層中的另外一個，并且其中第三層為浮動的。第四層可以連接到電源電壓，比如但不限于地。
文檔編號H01L29/66GK1707813SQ20051007612
公開日2005年12月14日 申請日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者約瑟夫·S·肖爾, 愛德華多·瑪艾彥, 約拉姆·柏斯特 申請人:賽芬半導(dǎo)體有限公司