CN102692942B - 低压参考电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低压参考电路，其可具有一对半导体器件。每个半导体器件可具有n‑型半导体区域、n‑型半导体区域中的n+区域、金属栅极、和位于所述金属栅极和n‑型半导体区域之间的栅极绝缘体，载流子在所述金属栅极和n‑型半导体区域之间隧穿。金属栅极可具有的功函数与p‑多晶硅的功函数匹配。栅极绝缘体具有的厚度可小于约25埃。金属栅极可形成半导体器件的第一端子，而n+区域和n‑型半导体区域可形成半导体器件的第二端子。第二端子可耦合到地。偏压电路可使用第一端子供应不同电流到半导体器件，并可提供数值小于一伏特的相应参考输出电压。

Description

低压参考电路
本申请要求2011年3月18日提交的美国专利申请No.13/051648的优先权，其全部内容以文献形式并入本文。
技术领域
背景技术
集成电路通常要求电压参考电路。参考电路可用于建立已知的电压水平，以便控制电源和其他电路。理想地，参考电路应具有良好的抗工艺、电压、和温度变化(所谓的PVT变化/变量)的能力。
一种流行的参考电路是所谓的带隙参考电路。带隙参考电路相对PVT变化具有稳定的行为，但局限于产生输出电压约为1.2伏特。已经开发了基于阈值电压的互补金属氧化物半导体(CMOS)参考电路，其能够以较低的输出电压工作，但该类型参考电路倾向于具有很大的工艺依赖性，这是由于阈值电压对工艺(注入)变化的依赖性导致的。
发明内容
随着现代电路中的电源电压被缩减为较低电压，需要生产以低于一伏特的电压工作的参考电路。因此能够提供改进的集成电路电压参考电路是理想的。
可提供具有一对半导体器件的参考电路。每个半导体器件可具有位于金属栅极和n型半导体区域之间的n型半导体区域、n型半导体区域中的n+区、金属栅极、和栅极绝缘体。金属栅极可以具有的功函数与p型多晶硅的功函数匹配。栅极绝缘体具有的厚度可以小于约25埃。金属栅极可形成半导体器件的第一端子，而n+区可形成半导体器件的第二端子。第二端子可耦合到地。当跨第一和第二端子施加电压时，电流可隧穿栅极绝缘体，且半导体器件可具有的导通电压在0.3和0.5伏特之间。
参考电路可具有偏压或偏置电路，其耦合到半导体器件的第一端子。在工作过程中，偏压电路可供应不同电流到半导体器件，并可在输出端子提供相应参考输出电压。参考电压可具有小于一伏特的值。
本发明的进一步特性、其本质及各种优点可从附图以及下面优选实施例的详细说明中更明显看出。
附图说明
图1是根据本发明实施例的电压参考电路的示例性图。
图2是与根据本发明实施例的电压参考电路关联的示例性曲线图。
图3是比较常规带隙参考电路的电压输出和根据本发明实施例的低压参考电路的电压输出的示例性曲线。
图4是用于根据本发明实施例的电压参考电路的说明性的金属栅极漏电二极管的示例性截面侧视图。
图5是根据本发明实施例的各种半导体结构的说明性电流对电压特性的示例性曲线图。
具体实施方式
电压参考电路通常用于集成电路设计中，在集成电路中要求已知大小的稳定电压。例如，某些集成电路具有电源电路，其中由电源电路产生的电源电压的大小是用带隙参考电路调节的。
根据图1所示的本发明的一个实施例，参考电路22具有由偏压或偏置电路32偏置的一对半导体器件，如金属栅极漏电二极管MGLD1和MGLD2。图1中低压参考电路22的偏压电路32施加偏置信号到二极管MGLD1和MGLD2。电阻器R1’、R2’和R3’的值可选择从而确保合适的不同的电流I1和I2流经二极管MGLD1和MGLD2。作为例子，电阻器R1’、R2’和R3’可分别具有5千欧姆、6.7千欧姆、和1千欧姆的电阻值。借助另一种合适结构，R1’、R2’和R3’可分别具有28兆欧姆、83兆欧姆、和67.5兆欧姆的电阻值。如果需要也可使用其他电阻值。偏压电路32的电阻器的这些说明性电阻值仅作为例子给出。
偏压电路32可具有运算放大器，如运算放大器28。运算放大器28的正输入端子可耦合到节点24。运算放大器28的负输入端子可耦合到节点26。工作过程中，运算放大器28在输出端子30上提供相应的输出电压Vout，同时保持节点24和26上电压为相等值。
二极管MGLD1具有耦合到端子24的正极和耦合到地的负极。二极管MGLD2具有耦合到端子26的正极和耦合到地的负极。在一个实施例中，二极管MGLD1和MGLD2是由具有相对低的导通电压的金属栅极漏电二极管结构形成的。二极管MGLD1和MGLD2的导通电压通常为约0.3到0.5伏特，与和类型为带隙参考电路中使用的常规p-n结二极管关联的0.7伏特导通电压不同。二极管MGLD1和MGLD2的低导通电压(例如，0.3到0.5伏特，0.4到0.5伏特，小于0.5伏特等等)允许参考电路22在端子30上产生电压Vout，其约为0.8到0.9伏特。该低于一伏特的参考信号可用于要求低参考电压的电路，如低压电源电路和其他电路。
工作过程中，二极管MGLD1特性为结电压为VGB1，而二极管MGLD2特性为结电压为VGB2。偏压电路32和运算放大器28保持结点24和26的电压约为VGB1。由R1’、R2’和R3’组成的电阻器网络确保电流I1和I2具有合适的幅值(且I1/I2具有合适的非归一比(non-unitary ratio))，从而为ΔVGB＝VGB1-VGB2设定一个需要的值。ΔVGB值与绝对温度(PTAT)成比例，然而VGB1的值与绝对温度(CTAT)互补。
与ΔVGB关联的PTAT特性(图2中线34)和与VGB1关联的CTAT特性(图2中线36)倾向于彼此抵消，如图2中参考输出电压Vout曲线38所示。如图2所示，曲线38倾向于在宽范围的温度变化上是平坦的。使用图1所示类型的偏压电路结构，Vout的值由等式1给出。
Vout＝R2’/R3’(ΔVGB1)+VGB1 (1)
如果需要，也可使用其他偏压电路。用于图1中的说明性的结构的偏压电路仅是例子，且不是为了限制本发明的范围。
图1中的低压参考电路22的性能和具有由双极结晶体管结构形成的二极管的常规带隙参考电路的特性可通过模拟进行比较，其中双极结晶体管结构的端子连接形成p-n结二极管。常规带隙参考电路和图1中所示类型的低压参考电路的模拟结果的曲线在图3中示出。常规带隙参考电路的输出Vout由线40表示。低压参考电路22的输出Vout由线42表示。曲线40和曲线42在典型工作温度范围上都是稳定的(如从低于-50℃到约150℃)，但当和曲线40相比时，如曲线42的较低幅值所示，低压参考电路22能够产生比常规带隙参考电路明显更低的参考输出电压。具体地，与常规带隙参考电路约1.19伏特的输出电压相比，低压参考电路22可产生约0.83伏特的输出电压。
图4是可用于实施图1中金属栅极漏电二极管MGLD1和MGLD2类型的说明性金属栅极漏电二极管的示例性截面侧视图。如图4所示，金属栅极漏电二极管44可以是两端子半导体器件，其具有正极A和负极C。正极A可耦合到图1中电路22的节点24(如当图4中的金属栅极漏电二极管44的结构用于实施图1中的金属栅极漏电二极管MGLD1时)，或图1中电路22的节点26(如当金属栅极漏电二极管44的结构用于实施图1中的金属栅极漏电二极管MGLD2时)。负极C可耦合到电路22中的地。
金属栅极漏电二极管44可由半导体衬底，如硅衬底形成。N型掺杂的区域，如n-阱50可在硅衬底中形成。一个或更多重掺杂的n+区域52可用离子注入或其他合适的掺杂技术在n-阱50中形成(从而形成具有n-阱的欧姆接触)。n+区域电连接到n-阱，且因此n-阱和n+区域形成二极管44的端子之一的部件(即，其负极)。负极C中n+区域可具有关联的金属触点或其他导电端子结构，其耦合到n+区域52并也形成负极C的部件。如图4所示，n+区域52可邻近直接在栅极绝缘体48之下的半导体。
栅极绝缘体48可在半导体衬底50的表面上形成。栅极绝缘体48可由介电层，如氧化硅、铪基氧化物、其他金属氧化物、氮化物、氧氮化物、或其他绝缘材料形成。量子力学隧穿可允许在二极管44工作过程中电流通过绝缘体48。
导电栅极46可用作正极端子A。导电栅极46优选由金属形成。如果需要，导电栅极46可由掺杂半导体形成。例如，当区域50是n-阱时，导电栅极46可由p+多晶硅层形成。这样的基于多晶硅的栅极结构通常是用自对准半导体制造工艺形成的，并可陷入不期望的工艺复杂度。从金属形成栅极46通常避免了对于自对准技术的需求，因此通常是优选的。
在栅极导体46由金属形成的结构中，金属功函数优选选择为与p型多晶硅的功函数适当匹配。金属的功函数可以在，例如p-型多晶硅的功函数的+/-0.5eV内。该类型金属在图4中示为p-型金属栅极pMG。其他类型的金属(如，功函数可与n-型多晶硅相比的金属)和区域50和52的掺杂类型的各种组合都是可能的，但是与使用“p金属”栅极的图4中所示结构相比，通常会导致次最优性能。
图5是比较图4中所示类型结构的栅极金属和半导体掺杂类型的不同组合的电流对电压(IV)特性的示例性曲线。曲线60对应于正常变容二极管的IV特性，其中区域52具有n+型掺杂，区域50具有n-型掺杂，且栅极46是“n-金属”栅极(nMG)，其功函数可与n-型多晶硅的功函数(如约4.2eV)比拟。曲线58对应于具有n+型区域52、p-型区域50、和n-金属栅极的结构的IV特性。曲线54对应于具有n+区域52、p-型区域50、和p金属栅极(pMG)(即，功函数可与p-型多晶硅的功函数比拟的栅极金属，如5.1eV，或在4.9到5.3eV的范围内，4.5到5.8eV的范围内，等等)的结构的IV特性。p-金属栅极pMG的功函数可以为，例如，约0.3eV，其低于p+多晶硅的功函数(例如，栅极pMG的功函数可以为约4.8eV、4.6到5.0eV、4.5到5.1eV、4.3到5.3eV等)。可用于形成p金属栅极的材料的例子是钛和铝的合金。如果需要，元素金属和其他金属合金可用于形成p金属栅极(pMG)46。
如图5所示，对应于曲线60、58、和54的结构不具有高度类似二极管的行为。曲线56对应于图4中标记图示出的结构组合(即，n+结构52、n-阱50、和p-金属栅极46)，其具有在约0.3到0.5伏特的尖陡的类二极管导通电压，并具有最小反向偏置电流(即，Ig对于低于0伏特的偏压Vg相对低)。图4中器件结构因此具有高度类二极管工作特性，并适用于参考电路。当用n+掺杂的区域52、n-型掺杂区域50、和p-金属栅极46形成时，图4中的结构形成金属栅极漏电二极管结构，其适于用作图1中电压参考电路22的器件MGLD1和MGLD2。
如果需要，栅极绝缘体48的厚度和栅极导体46的功函数可调节，从而调节Vout和通过二极管MGLD1和MGLD2的电流量(例如，从而产生具有降低的功率消耗的电路配置)。借助一个合适结构，绝缘体52的厚度TOX可约为13埃(如，约13到20埃，小于15埃，小于20埃，约13到25埃，小于25埃，等等)。如果需要，栅极绝缘体48可在集成电路上形成作为标准CMOS半导体制造工艺的一部分(如，当为金属氧化物半导体晶体管在集成电路其他的地方形成栅极绝缘体时)，因而避免包括额外工艺步骤的需求(如栅极绝缘体除去步骤)作为形成二极管MGLD1和MGLD2的工艺的一部分。
在TOX的值在约25埃以下时，相信二极管MGLD1和MGLD2中的导电机理是通过二极管的n-阱之间的载流子(电子)直接隧穿到他们的p-金属栅极。在二极管工作过程中，隧穿栅极绝缘体的总电流包括导带和价带两者的贡献。用于二极管MGLD1和MGLD2的结构与具有栅极绝缘体的p-金属栅极变容二极管器件的结构相似，该栅极绝缘体薄到足够允许载流子的量子力学隧穿，且其中在二极管端子之间没有电流流过是可能的，直到p-金属栅极上的栅极电压约等于器件的平带电压(即，导通电压约等于平带电压VFB)。借助金属栅极，平带电压VFB的幅值通常小于多晶硅栅极(在0K)的电压，且比硅的带隙小约0.3伏特。在约25埃以上的TOX值，导电机理涉及其他机理，如福勒－诺德海姆(Fowler-Nordheim)隧穿，且通常不导致图5中曲线56所示类型的良好的类二极管特性。如结合图5的描述，相信具有p-金属栅极和n-阱的器件通常比具有n-金属栅极的器件和具有p-金属栅极和p-阱的器件是优选的。
补充实施例1.参考电路，包括：第一和第二二极管，每个都具有栅极、掺杂的半导体区域、和位于与其关联的二极管的栅极和掺杂的半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中栅极绝缘体可操作以允许载流子在与其关联的二极管的掺杂的半导体区域和栅极之间隧穿；以及耦合到第一和第二二极管并具有可操作以供应参考电压的输出的偏压电路。
补充实施例2.补充实施例1中定义的参考电路，其中第一和第二二极管的栅极包括金属。
补充实施例3.补充实施例1中定义的参考电路，其中第一和第二二极管的栅极绝缘体每个具有的厚度都小于20埃。
补充实施例4.补充实施例1中定义的参考电路进一步包括接地端子，其耦合到掺杂半导体区域。
补充实施例5.补充实施例1中定义的参考电路，其中掺杂半导体区域包括n-型硅。
补充实施例6.补充实施例5中定义的参考电路进一步包括在n-型硅中的n+区域，其中第一二极管的栅极形成第一二极管的正极，其中第二二极管的栅极形成第二二极管的正极，且其中上述正极耦合到偏压电路。
补充实施例7.补充实施例6中定义的参考电路，其中第一和第二二极管是响应于偏压电路改变通过正极的电流的量而被不同偏置的。
补充实施例8.补充实施例7中定义的参考电路，其中第一和第二二极管的栅极包括金属。
补充实施例9.补充实施例8中定义的参考电路，其中金属具有的功函数为4.3eV到5.3eV。
补充实施例10.补充实施例1中定义的参考电路，其中第一和第二二极管的掺杂的半导体区域包括n-阱，且第一和第二二极管的栅极包括金属，且其中第一和第二二极管进一步包括耦合到地的n-阱中的n+区域。
补充实施例11.补充实施例1中定义的参考电路，其中第一和第二二极管具有小于0.5伏特的关联的导通电压，且其中偏压电路可操作以产生幅值小于1.0伏特的参考输出电压。
补充实施例12.补充实施例1中定义的参考电路，其中每个二极管都包括耦合到偏压电路的第一端子和耦合到地的第二端子，其中每个二极管的第一端子都由该二极管的栅极形成，且其中每个二极管的第二端子都包括该二极管掺杂的半导体区域。
补充实施例13.补充实施例1中定义的参考电路，其中偏压电路包括运算放大器，其可操作以在输出端产生参考电压。
补充实施例14.补充实施例13中定义的参考电路，其中偏压电路可操作以通过第一和第二二极管的栅极施加不同的电流到第一和第二二极管。
补充实施例15.补充实施例14中定义的参考电路，其中第一和第二二极管的掺杂的半导体区域包括n-型硅，该参考电路进一步包括耦合到掺杂的半导体区域的接地端子。
补充实施例16.参考电路，包括：一对半导体器件，其中每个半导体器件具有阱区域，该阱区域内的掺杂区域、栅极导体、以及位于阱区域和栅极导体之间的栅极绝缘体，其中每个半导体器件可操作以允许载流子在与其关联的半导体器件的阱区域和栅极导体之间隧穿；以及可操作以供应不同偏置电流到该对半导体器件并产生相应的参考输出电压的电路。
补充实施例17.补充实施例16中定义的参考电路，其中二极管具有的关联的导通电压低于0.5伏特，且其中电路可操作以产生低于1.0伏特的参考输出电压。
补充实施例18.补充实施例16中定义的参考电路，其中每个半导体器件的阱区域都包括n-阱。
补充实施例19.补充实施例18中定义的参考电路，其中每个半导体器件的掺杂区域都包括在n-阱中的n+掺杂区域。
补充实施例20.补充实施例16中定义的参考电路，其中每个半导体器件的栅极导体都包括金属。
补充实施例21.补充实施例20中定义的参考电路，其中金属具有的功函数为4.3eV到5.3eV。
补充实施例22.补充实施例16中定义的参考电路，其中每个半导体器件都包括耦合到电路的第一端子和耦合到地的第二端子，其中每个半导体器件的第一端子由该半导体器件的栅极导体形成，且其中每个半导体器件的第二端子包括该半导体器件的掺杂的区域和阱区域。
补充实施例23.电压参考电路，其包括：第一半导体器件，其具有n-型半导体区域、在n-型半导体区域中的至少一个n+区域、金属栅极、以及位于金属栅极和n-型半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中所述第一半导体器件的栅极绝缘体层可操作以允许载流子在n-型半导体区域和金属栅极之间隧穿；还包括第二半导体器件，其具有n-型半导体区域、在n-型半导体区域中的至少一个n+区域、金属栅极、以及位于所述金属栅极和n-型半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中所述第二半导体器件的栅极绝缘体层可操作以允许载流子在n-型半导体区域和金属栅极之间隧穿；以及耦合到所述第一和第二半导体器件并可操作以使用第一和第二半导体器件产生参考输出电压的电路。
补充实施例24.补充实施例23中定义的参考电路，其中所述电路耦合到金属栅极并可操作以施加不同信号到所述第一和第二半导体器件。
补充实施例25.补充实施例23中定义的电压参考电路，其中所述电路包括具有输出的运算放大器，其可操作以产生参考输出电压，且其中所述电路可操作以通过所述金属栅极施加不同电流到第一和第二半导体器件，所述电压参考电路进一步包括耦合到n+区域的接地端子。
补充实施例26.补充实施例23中定义的电压参考电路，其中所述第一和第二半导体器件的导通电压小于0.5伏特，且其中该电路可操作以产生幅值小于一伏特的参考输出电压。
上面仅是本发明原理的说明，本领域技术人员可不偏离本发明的范围和精神做出各种修改。

Claims (20)

1.一种参考电路，包括：
第一和第二二极管，每个二极管都具有栅极、n-型掺杂的掺杂的半导体区域、形成在所述掺杂的半导体区域的所述n-型掺杂的接触区域、和位于与其关联的二极管的栅极和掺杂的半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中所述栅极绝缘体可操作以允许载流子在与其关联的二极管的掺杂的半导体区域和栅极之间隧穿；以及
偏压电路，其耦合到所述第一和第二二极管，并具有可操作以供应参考电压的输出端。
2.根据权利要求1所述的参考电路，其中所述第一和第二二极管的栅极包括金属。
3.根据权利要求1所述的参考电路，其中所述第一和第二二极管的栅极绝缘体中的每个具有的厚度都小于20埃。
4.根据权利要求1所述的参考电路，进一步包括耦合到所述掺杂的半导体区域的接地端子。
5.根据权利要求1所述的参考电路，其中所述掺杂的半导体区域包括n-型硅。
6.根据权利要求5所述的参考电路，其中所述第一二极管的栅极形成所述第一二极管的正极，其中所述第二二极管的栅极形成所述第二二极管的正极，且其中上述正极都耦合到所述偏压电路。
7.根据权利要求6所述的参考电路，其中所述第一和第二二极管响应于所述偏压电路改变通过正极的电流的量而被不同偏置。
8.根据权利要求7所述的参考电路，其中所述第一和第二二极管的栅极包括金属。
9.根据权利要求1所述的参考电路，其中所述第一和第二二极管的掺杂的半导体区域包括n阱，且所述第一和第二二极管的栅极包括金属，且其中所述第一和第二二极管的所述接触区域耦合到地。
10.一种参考电路，包括：
半导体器件对，其中每个半导体器件具有阱区域、所述阱区域内的掺杂区域、栅极导体、和位于所述阱区域和所述栅极导体之间的栅极绝缘体，其中所述阱区域和所述掺杂区域都是n-型掺杂的区域，并且其中每个半导体器件可操作以允许载流子在与其关联的所述半导体器件的阱区域和栅极导体之间隧穿；以及
电路，其可操作以供应不同的偏置电流到所述半导体器件对，并产生相应的参考输出电压。
11.根据权利要求10所述的参考电路，其中所述半导体器件对关联的导通电压小于0.5伏特，且其中所述电路可操作以产生小于1.0伏特的参考输出电压。
12.根据权利要求10所述的参考电路，其中每个半导体器件的阱区域包括n-阱。
13.根据权利要求12所述的参考电路，其中每个半导体器件的掺杂区域包括所述n-阱中n+掺杂区域。
14.根据权利要求10所述的参考电路，其中每个半导体器件的栅极导体包括金属。
15.根据权利要求14所述的参考电路，其中所述金属的功函数为4.3eV到5.3eV。
16.根据权利要求10所述的参考电路，其中每个半导体器件包括耦合到所述电路的第一端子和耦合到地的第二端子，其中每个半导体器件的所述第一端子是由所述半导体器件的栅极导体形成的，且其中每个半导体器件的所述第二端子包括该半导体器件的掺杂区域和阱区域。
17.一种电压参考电路，其包括：
第一半导体器件，其具有n-型半导体区域，所述n-型半导体区域中的至少一个n+区域、金属栅极、和位于所述金属栅极和所述n-型半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中所述第一半导体器件的栅极绝缘体层可操作以允许载流子在所述n-型半导体区域和所述金属栅极之间隧穿；以及
第二半导体器件，其具有n-型半导体区域、所述n-型半导体区域中的至少一个n+区域、金属栅极、以及位于所述金属栅极和所述n-型半导体区域之间的栅极绝缘体层，其中所述第二半导体器件的栅极绝缘体层可操作以允许载流子在所述n-型半导体区域和所述金属栅极之间隧穿；以及
电路，其耦合到所述第一和第二半导体器件，并可操作以使用所述第一和第二半导体器件产生参考输出电压。
18.根据权利要求17所述的电压参考电路，其中所述电路耦合到所述金属栅极，并可操作以施加不同信号到所述第一和第二半导体器件。
19.根据权利要求17所述的电压参考电路，其中所述电路包括具有输出的运算放大器，其可操作以产生所述参考输出电压，且其中所述电路可操作以通过所述金属栅极施加不同电流到所述第一和第二半导体器件，所述电压参考电路进一步包括耦合到n+区域的接地端子。
20.根据权利要求17所述的电压参考电路，其中所述第一和第二半导体器件具有的导通电压小于0.5伏特，且其中所述电路可操作以产生幅值小于一伏特的所述参考输出电压。
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