用于低電力半導(dǎo)體的模式可變自適應(yīng)體偏壓方案的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 本申請(qǐng)案主張2014年9月8日提交的名為用于超低電力設(shè)計(jì)的模式可變自適應(yīng) 體偏壓方案（MODE-VARIANT, ADAPTIVE B孤Y BIAS SCHEME FOR ULTRA-LOW POWER DESIGN) 的第62/047, 146號(hào)美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)，所述申請(qǐng)案是針對(duì)所掲示的一切目的 而明確并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本申請(qǐng)案設(shè)及用于低電力半導(dǎo)體的模式可變自適應(yīng)體偏壓方案。
【背景技術(shù)】
[0003] 降低電子裝置中的功耗的需求逐漸增加。此尤其適用于互連裝置的網(wǎng)絡(luò)中的傳感 器節(jié)點(diǎn)裝置。在此類裝置中，低能耗轉(zhuǎn)變?yōu)楦L(zhǎng)電池壽命，或能夠W更小和/或較為便宜的 電池操作。傳感器節(jié)點(diǎn)裝置通常具有運(yùn)行來(lái)自嵌入式非易失性存儲(chǔ)器的代碼的微控制器。 為了支持越來(lái)越多的計(jì)算需求及減小延時(shí)（即，增加快速響應(yīng)于事件的能力）的要求，希望 微控制器可W相對(duì)較高頻率（例如，8MHz到16MHz)運(yùn)行，同時(shí)仍然維持低功耗。因?yàn)榇蟛?分傳感器應(yīng)用是W事件驅(qū)動(dòng)的，所W許多傳感器節(jié)點(diǎn)微控制器在沒有作用時(shí)進(jìn)入備用模式 W減小功耗。理論上，此類裝置在備用模式中將不會(huì)消耗任何電力。然而，此類裝置通常需 要操作傳感器及相關(guān)電路W (例如）感測(cè)其何時(shí)退出備用模式及開始作用操作。否則，其 將永遠(yuǎn)不會(huì)從備用模式中轉(zhuǎn)變出來(lái)。操作此類傳感器及相關(guān)電路消耗電力，但所述電力的 量遠(yuǎn)低于大部分情況中的作用模式功耗。
[0004] 為了最小化總能耗，減小作用模式功耗及備用模式功耗并維持W低延時(shí)及低躍遷 能量在模式之間切換的能力是至關(guān)重要的。 陽(yáng)〇化]存在一些低電力微控制器實(shí)施方案，但是其具有限制。例如，一些實(shí)施方案過(guò)度定 位于作用模式電力，但是具有較高的備用模式功耗且也不支持狀態(tài)保持。因此，當(dāng)裝置轉(zhuǎn)變 為備用模式時(shí)，存儲(chǔ)器狀態(tài)丟失。其它實(shí)施方案過(guò)度定位于備用模式電力耗散，但是具有較 高的作用模式功耗，對(duì)于用完非易失性存儲(chǔ)器的代碼的情況尤為如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明掲示一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧裝置，其具有作用模式及備用模 式。CMOS裝置包含具有第一本體的第一晶體管、具有第二本體的第二晶體管、第一正體偏壓 電壓源及第二正體偏壓電壓源。第一正體偏壓電壓源在CMOS裝置處于作用模式中時(shí)禪合 到所述第一本體且在CMOS裝置處于備用模式中時(shí)從第一本體斷接。第二正體偏壓電壓源 在CMOS裝置處于作用模式中時(shí)禪合到第二本體且在CMOS裝置處于備用模式中時(shí)從第二本 體斷接。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖Ia到Ic是表示MOS陽(yáng)T晶體管的闊值電壓的簡(jiǎn)化電壓圖，其說(shuō)明在兩種電平之 間切換闊值電壓的=種不同方式。
[0008] 圖2a及化是表示用于基于所述裝置處于作用模式或備用模式中而選擇性地施加 體偏壓于CMOS晶體管對(duì)的電路的簡(jiǎn)化示意圖。
[0009] 圖3是CMOS裝置的橫截面圖。
[0010] 圖4是表示操作備用模式中的CMOS裝置的說(shuō)明方法的流程圖。
[0011] 圖5是表示將CMOS裝置從作用模式轉(zhuǎn)變到備用模式的說(shuō)明方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 本發(fā)明通常是針對(duì)多種裝置，其中所述裝置中的某些晶體管取決于所述裝置處于 作用模式或備用模式而采用不同闊值電壓W最小化作用模式及備用模式兩者中的功耗。更 具體地說(shuō)，當(dāng)裝置處于作用模式中時(shí)維持低闊值電壓，且當(dāng)裝置處于備用模式中時(shí)維持高 闊值電壓。維持作用模式中的低闊值電壓允許裝置W較低電源電平Vdd操作并同時(shí)維持高 性能。維持備用模式中的高闊值電壓最小化漏電流，即，當(dāng)關(guān)斷晶體管時(shí)由晶體管傳導(dǎo)的電 流。為了解釋目的，將關(guān)于金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET)及特定地說(shuō)互補(bǔ)金屬氧 化物半導(dǎo)體（CM0巧裝置描述本發(fā)明的方面，但是應(yīng)了解本發(fā)明的方面也可應(yīng)用于其它類 型的晶體管。
[0013] 在說(shuō)明實(shí)施例中，取決于裝置處于作用模式或備用模式中而采用的不同闊值電壓 是通過(guò)施加正體偏壓及/或反體偏壓于晶體管的本體而實(shí)現(xiàn)。圖Ia到Ic是表示MOSFET晶 體管的闊值電壓的簡(jiǎn)化電壓圖，其說(shuō)明在兩種電平之間切換闊值電壓的S種不同方式。在 圖Ia中，當(dāng)裝置處于作用模式中時(shí)施加正體偏壓于晶體管W實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低闊值電壓110。 因此，作用模式闊值電壓110比本征闊值電壓鳴、。3&=。低正體偏壓量V?。在備用模式中，施 加反體偏壓于晶體管W實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高闊值電壓120。因此，備用模式闊值電壓120比本征闊 值電壓、'了nai奴S局反體偏壓里?Vrbb。
[0014] 在圖化中，當(dāng)裝置處于作用模式中時(shí)沒有施加體偏壓于晶體管。因此，作用模式 闊值電壓130等于晶體管的本征闊值電壓在備用模式中，施加反體偏壓于晶體管 W實(shí)現(xiàn)較高闊值電壓140。因此，備用模式闊值電壓140比本征闊值電壓高反體偏 壓里Vr冊(cè)。
[0015] 在圖Ic中，當(dāng)裝置處于備用模式中時(shí)，沒有施加體偏壓于晶體管。因此，備用模式 闊值電壓160等于晶體管的征闊值電壓V：;、。,,。。。.當(dāng)裝置在作用中時(shí)，施加正體偏壓于晶體 管W實(shí)現(xiàn)較低闊值電壓150。因此，作用模式闊值電壓150比本征闊值電壓馬。3化，6低反體 偏壓量Vuee。在其中裝置有可能保持在備用模式中持續(xù)相對(duì)于其在作用中的時(shí)間量的高比 例時(shí)間的應(yīng)用中，圖Ic中表示的方案優(yōu)于圖Ia及化的方案，因?yàn)閭溆媚Ｊ街锌申P(guān)閉偏壓 產(chǎn)生。偏壓產(chǎn)生顯著地增加備用電流。因此，在作用模式中施加正體偏壓的節(jié)能遠(yuǎn)大于在 備用模式中施加反體偏壓。
[0016] 圖2a及化是表示用于基于所述裝置處于作用模式或備用模式中而選擇性地施加 體偏壓于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧晶體管對(duì)的電路200的簡(jiǎn)化示意圖。在說(shuō)明實(shí)施 例中，圖2a及化對(duì)應(yīng)于由圖Ic表示的方案。在所述說(shuō)明實(shí)施例中，圖2a表示裝置處于作 用模式中時(shí)所述電路200的狀態(tài)。當(dāng)裝置在作用中時(shí)，開關(guān)220及230經(jīng)閉合W將偏壓產(chǎn) 生電路210禪合到CMOS晶體管對(duì)的N阱及P阱W施加正體偏壓于晶體管對(duì)并建立較低闊 值電壓。開關(guān)240經(jīng)斷開W將電壓供應(yīng)Vdd與N阱斷開連接，且開關(guān)250經(jīng)斷開W將P阱與 接地?cái)嚅_連接。注意，圖2a及化描繪體偏壓電壓被提供于CMOS晶體管對(duì)，且因此體偏壓 電壓被施加于CMOS裝置的N阱及P阱兩者。應(yīng)了解，其它實(shí)施例設(shè)及其它類型的晶體管， 包含（例如）非互補(bǔ)晶體管類型（例如NMOS及PMOS晶體管）W及其它類型的場(chǎng)效晶體管 (FET)。在此類非互補(bǔ)晶體管裝置中，體偏壓電壓將被施加于裝置的N阱或P阱（而非兩 者），運(yùn)取決于晶體管是否為P型晶體管或n型晶體管。
[0017] 圖化表示當(dāng)裝置處于備用模式中時(shí)電路200的狀態(tài)。當(dāng)裝置在備用中時(shí)，偏壓產(chǎn) 生電路210關(guān)斷且開關(guān)200及230經(jīng)斷開W將偏壓產(chǎn)生電路210與CMOS晶體管對(duì)的n阱 及P阱斷開連接。將偏壓產(chǎn)生電路210斷開連接防止偏壓產(chǎn)生電路210在裝置處于備用模 式中時(shí)汲取或送入電流。開關(guān)240經(jīng)閉合W將電壓供應(yīng)Vdd禪合到n阱，且開關(guān)250經(jīng)閉合 W將P阱禪合到接地。因此，沒有施加正體偏壓于CMOS晶體管對(duì)且備用模式闊值電壓等于 CMOS晶體管對(duì)的本征闊值電壓在說(shuō)明性實(shí)施例中，除了與晶體管對(duì)的本體（n阱及 P阱）斷開連接W外，偏壓產(chǎn)生電路210還被關(guān)斷，因此節(jié)省偏壓產(chǎn)生電力。
[0018] 圖3是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CM0巧裝置300的橫截面圖，裝置300可操作W在 裝置300處于作用模式中時(shí)采用第一較低闊值電壓且在裝置處于備用模式中時(shí)采用第二 較高闊值電壓。CMOS裝置300包含第一晶體管302及第二晶體管304。在由圖3表示的說(shuō) 明實(shí)施例中，第一晶體管302是n溝道裝置，其有時(shí)候在本文中稱作NMOS晶體管。第二晶 體管304是P溝道裝置，其有時(shí)候在本文中稱作PMOS晶體管。晶體管302、304容置在襯底 308中，襯底308在圖3的實(shí)例中是P襯底，意指其經(jīng)滲雜為正。晶體管302、304通過(guò)深阱 310及阱312與襯底308分離。在圖3的實(shí)例中，深阱310及阱312兩者是n阱，意指其經(jīng) 滲雜為負(fù)。在圖3的實(shí)例中，襯底308是借助于接地連接314禪合到接地。第一晶體管302 位于隔離的經(jīng)滲雜為正的阱320中。隔離的P阱320構(gòu)成稱作晶體管302的本體部分的物 體。第二晶體管304位于用負(fù)電荷滲雜的阱340中。n阱340包括晶體管304的本體部分。 N阱312及深n阱310提供用于隔離的P阱320的隔離。如圖3中可知，n阱340并未隔離。 在圖3的說(shuō)明實(shí)例中，晶體管302、304容置在P襯底308中，且P阱320是由n阱312及深 n阱310隔離。然而，將明白，此實(shí)例只是說(shuō)明性的且作用可顛倒。目P，晶體管302、304同樣 可容置在n襯底中，且n阱可例如由P阱及深P阱隔離。此外，本發(fā)明的方面還可實(shí)施于獨(dú) 立（非互補(bǔ)）晶體管（例如NMOS或PMOS晶體管）中化及非MOS場(chǎng)效晶體管師T)中。此 夕F，雖然圖3只示出了一個(gè)NMOS晶體管302及一個(gè)PMOS晶體管304,但是實(shí)際上可存在任 何數(shù)目的NMOS及PMOS晶體管。
[0019] 隔離的P阱320具有充當(dāng)?shù)谝痪w管302的節(jié)點(diǎn)或觸點(diǎn)的=個(gè)滲雜植入物或區(qū) 域。P阱主體觸點(diǎn)322是充當(dāng)?shù)谝痪w管302的本體觸點(diǎn)的高正滲雜（P+)區(qū)域。漏極324 及源極326是隔離的P阱320中用負(fù)電荷（即，隔離的P阱320的相反電荷）滲雜的區(qū)域。 柵極材料328 W常規(guī)方式在漏極324與源極326之間延伸。類似地，n阱340具有充當(dāng)?shù)诙?晶體管304的節(jié)點(diǎn)或觸點(diǎn)的=個(gè)滲雜植入物或區(qū)域。n阱主體觸點(diǎn)342是充當(dāng)?shù)诙w管 304的本體觸點(diǎn)的高負(fù)滲雜（N+)區(qū)域。漏極344及源極346是n阱340中用正電荷（即， n阱340的相反電荷）滲雜的區(qū)域。柵極材料348 W常規(guī)方式在漏極344與源極346之間 延伸。在圖3的說(shuō)明性配置中，第一晶體管302的漏極324禪合到接地，且第二晶體管304 的源極346禪合到電源電壓Vdd。電源電壓Vdd是存在的電壓，而無(wú)關(guān)于CMOS裝置300的狀 態(tài)為何。
[0020] 晶體管302及304支持標(biāo)準(zhǔn)電壓闊值（SVT)及高電壓闊值化VT)。闊值電壓是基 于施加于P阱320及n阱340的體偏壓電壓而建立。在說(shuō)明實(shí)施例中，當(dāng)裝置300處于作 用模式中時(shí)，施加正體偏壓（FBB)于P阱320及n阱340的本體觸點(diǎn)322、342,運(yùn)賦予了本 文中又稱作標(biāo)準(zhǔn)電壓闊值（SVT)的較低電壓闊值。當(dāng)裝置處于備用模式中時(shí)，沒有施加正 體偏壓于本體觸點(diǎn)322、342,運(yùn)產(chǎn)生在本文中又稱作高電壓闊值（