DE4208731A1 - Integrierte schaltung mit transferelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Integrierte Schaltungen der gattungsgemäßen Art sind bei­ spielsweise aus dem Buch Introduction to VLSI Systems von Carver Mead und Lynn Conway, Addison-Wesley Publishing Com­ pany, 3.8 Register-to-Register Transfer (Seite 75 und 76) be­ kannt. Dabei handelt es sich um integrierte Schaltungen, deren Schaltungskern mindestens einen Schaltungsblock aufweist, der mit mindestens einem Transferelement verbunden ist, das je­ weils nur aus einem Feldeffekttransistor besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung anzugeben, die mindestens einen CMOS-Schaltungsblock besitzt und deren Transferelemente, bei minimalem Schaltungs­ aufwand und gegebenenfalls minimaler Verlustleistung, den vollen Spannungshub der CMOS-Schaltungsblöcke übertragen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß, trotz der Übertragung des vollen Spannungshubs, für ein Transferele­ ment nur ein einzelner Feldeffekttransistor erforderlich und eine einfache Erzeugung der Steuerspannung für das Transferele­ ment möglich ist.

Die Ansprüche 2 bis 5 sind auf zweckmäßige Ausbildungen der er­ findungsgemäßen integrierten Schaltung gerichtet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine integrierte Schaltung, die aus einem Schaltungskern K und einer Schaltungsperipherie IN und OUT be­ steht. Der Schaltungskern K ist dabei beispielhaft über einen Eingangsperipherieblock IN mit einem Eingangsanschluß IPAD und über einen Ausgangsperipherieblock OUT mit einem Ausgangsan­ schluß OPAD verbindbar und weist Schaltungsblöcke B12 und B34 auf. Der Eingangsperipherieblock IN ist über ein ebenfalls zum Schaltungskern K gehörendes Transferelement T1, das entweder aus einem n-Kanal Feldeffekttransistor oder, wie gestrichelt angedeutet, aus einem p-Kanal Feldeffekttransistor besteht, mit einem Eingang 1 des Schaltungsblocks B12 verbindbar. Ein Ausgang 2 des Schaltungsblocks B12 ist über ein Transferele­ ment T2, das wiederum aus einem einzelnen n-Kanal Feldeffekt­ transistor bzw., wie gestrichelt angedeutet, aus einem p-Kanal Feldeffekttransistor besteht, mit einem Eingang 3 des Schal­ tungsblocks B34 beschaltet. Ein Ausgang 4 des Schaltungsblocks B34 ist über ein Transferelement T3, das ebenfalls aus einem einzelnen n-Kanal Feldeffekttransistor bzw., wie gestrichelt angedeutet, aus einem p-Kanal Feldeffekttransistor besteht, mit dem Ausgangsperipherieblock OUT verbindbar. Die Schaltungs­ blöcke B12 und B34 sind in der Regel CMOS-Schaltungsblöcke, bei denen der gesamte Schaltungsblock jeweils in CMOS-Technik aufgebaut ist, es kann sich aber auch um einen Schaltungsblock handeln, der Komponenten einer anderen Technologie enthält, wobei jedoch die Transferelemente mit CMOS-Stufen verbunden sind. Die beiden Schaltungsblöcke B12 und B34 stehen beispiel­ haft für eine eventuell größere Anzahl von Schaltungsblöcken, die untereinander und mit der Schaltungsperipherie über Trans­ ferelemente verbindbar sind. Es ist ebenfalls denkbar, daß Schaltungsblöcke mit der Schaltungsperipherie oder untereinan­ der nicht nur jeweils durch ein einzelnes Transferelement, son­ dern durch eine sogenannte Transferlogik, die beispielsweise aus einer Reihen- oder Parallelschaltung von Transferelementen besteht, verbindbar sind, wobei auch eine Kombination von Transferelementen, die aus n-Kanal Feldeffekttransistoren be­ stehen, mit solchen, die aus p-Kanal Feldeffekttransistoren be­ stehen, prinzipiell möglich ist. Im Schaltungsblock B12 ist stellvertretend für eine beliebige CMOS-Schaltung, insbesonde­ re für eine CMOS-Logikschaltung, eine aus einem n-Kanal Feld­ effekttransistor NB und einem p-Kanal Feldeffekttransistor PB bestehende CMOS-Inverterschaltung, die mit einer Versorgungs­ spannung VCC und Massepotential M beschaltet ist, dargestellt. Der Schaltungsblock B34 ist ebenfalls mit der Versorgungsspan­ nung VCC und Massepotential M verbunden und besteht ebenfalls, wie durch Punkte angedeutet, aus einer beliebigen CMOS-Schal­ tung mit Feldeffekttransistoren NB und PB, beispielsweise einem CMOS-Inverter. Die Feldeffekttransistoren NB und PB besitzen eine Gateoxiddicke D1, die geringer ist als eine Gateoxiddicke D2 bei den Feldeffekttransistoren für die Transferelemente T1 . . . T3. Das Gate des Feldeffekttransistors für T1 wird mit einer Steuerspannung V1, das Gate des Feldeffekttransistors für T2 mit einer Steuerspannung V2 und das Gate des Feldeffekt­ transistors für T3 mit einer Steuerspannung V3 angesteuert. Die Steuerspannungen V1 . . . V3 sind gegebenenfalls in einer, beispielsweise ebenfalls im Schaltungskern K befindlichen, Ansteuerschaltung A erzeugbar. Eine solche Ansteuerschaltung weist beispielsweise ebenfalls eine CMOS-Schaltung, beispiels­ weise eine aus einem n-Kanal Feldeffekttransistor NA und einem p-Kanal Feldeffekttransistor PA bestehende CMOS-Inverterschal­ tung, auf, die mit Massepotential und einer weiteren Versor­ gungsspannung VDD verbunden ist, sofern die anzusteuernden Transferelemente in Form von n-Kanal Feldeffekttransistoren ausgebildet sind und die mit der Versorgungsspannung VCC und einer mindestens um den Betrag der Einsatzspannung des Feld­ effekttransistors für das Transferelement niedriger als das Massepotential M liegenden Spannung verbunden ist, sofern die anzusteuernden Transferelemente in Form von p-Kanal Feldeffekt­ transistoren ausgeführt sind. Die weitere Versorgungsspannung VDD ist dabei höher als die Versorgungsspannung VCC der CMOS- Schaltungsblöcke B12 und B34 und die Gateoxiddicken der Tran­ sistoren NA und PA entsprechen der Gateoxiddicke D2, die bei den Feldeffekttransistoren für die Transferelemente T1 . . . T3 vorgesehen ist.

Damit der volle CMOS-Signalhub VCC der Schaltungsblöcke B12 und B34 durch die Transferelemente T1 . . . T3 übertragbar ist, müssen die maximalen Werte für die Steuerspannung V1 . . . V3 mindestens um die Einsatzspannung der jeweiligen Feldeffekt­ transistoren für T1 . . . T3 größer als die Versorgungsspannung VCC der Schaltungsblöcke B12 und B34 sein, sofern die Transfer­ elemente aus n-Kanal Feldeffekttransistoren bestehen und müs­ sen die minimalen Werte für die Steuerspannungen V1 . . . V3 mindestens um die Einsatzspannung der jeweiligen Feldeffekt­ transistoren für T1 . . . T3 kleiner als das Bezugspotential M sein, sofern die Transferelemente aus p-Kanal Feldeffekttran­ sistoren bestehen. Bei integrierten Schaltungen mit hoher Inte­ grationsdichte und sehr kurzen Kanallängen von weniger als etwa 0,8 µm wird eine Gateoxiddicke von ca. 10 nm benötigt, um dennoch die Steuerbarkeit des Transistorstromes durch die Gate­ spannung zu gewährleisten. Bei einer Gateoxiddicke von ca. 10 nm würde jedoch bei einer meist üblichen Versorgungsspannung von 5 Volt die zulässige Oxidfeldstärke überschritten. Man ver­ wendet deshalb häufig für den Schaltungskern eine reduzierte Versorgungsspannung von ca. VCC = 3,3 Volt. Würde ein Signal­ hub von 3,3 Volt, wie oben erwähnt, um den Betrag der Einsatz­ spannung reduziert, so wäre die Verwendung von herkömmlichen Transferelementen mit einem einzelnen n-Kanal bzw. p-Kanal Feld­ effekttransistor, aufgrund technologiebedingter Schwankungen der Schaltschwellen, dynamischer Störeinkopplungen insbesonde­ re auf Taktleitungen und anderer Ursachen, mit großem Fehler­ risiko behaftet. Um auch bei einer niedrigen Versorgungsspan­ nung für den Schaltungsblock, beispielsweise VCC = 3,3 Volt, Transferelemente erfindungsgemäß in Form von einzelnen n-Kanal bzw. p-Kanal Feldeffekttransistoren, also nicht in Form von CMOS-Transferelementen verwenden zu können, werden die Trans­ ferelemente mit Steuerspannungen V1 . . . V3 so angesteuert, daß der Signalhub mindestens die Summe aus der Versorgungsspannung VCC der Schaltungsblöcke und der Einsatzspannung eines Feldef­ fekttransistors für T1 . . . T3 beträgt. Geht man beispielsweise von einer Versorgungsspannung VCC = 3,3 Volt und einer relativ hohen Einsatzspannung von 1 Volt aus, so ist diese Bedingung beispielsweise für Steuerspannungen von V1 . . . V3 = 5 Volt er­ füllt. Damit dies möglich ist, wird erfindungsgemäß, bei glei­ cher zulässiger Oxidfeldstärke, die Gateoxiddicke D2 bei den Transistorelementen um den Faktor 5 Volt/3,3 Volt = 1,5, also im obigen Beispiel auf ca. 15 nm erhöht.

Die Steuerspannungen V1 . . . V3 können, wie beispielsweise bei FPGA′s (field programmable gate arrays) üblich, zum dauerhaf­ ten Aktivieren bzw. Deaktivieren von Schaltungsblöcken sta­ tisch angesteuert werden oder aber dynamisch derart ange­ steuert werden, daß üblicherweise der Feldeffekttransistor des Transferelements am Eingang eines Schaltungsblocks invers zum Feldeffekttransistor des Transferelements am Ausgang desselben Schaltungsblocks angesteuert wird. Die Ansteuerspannungen V1 . . . V3 können extern zugeführt werden oder aber sie sind in der Ansteuerschaltung A erzeugbar, wobei die Ansteuerschaltung A mit Massepotential und der weiteren Versorgungsspannung VDD, beispielsweise 5 Volt, beschaltet ist. Es besteht die Möglich­ keit, sowohl die Versorgungsspannung VCC als auch die weitere Versorgungsspannung VDD extern zuzuführen, die weitere Versor­ gungsspannung extern zuzuführen und daraus die Versorgungs­ spannung VCC zu gewinnen oder aber die Versorgungsspannung VCC zuzuführen und mit Hilfe einer Spannungsüberhöhungstechnik (bootstrap inverter etc.), wie sie im Wortleitungstreiber in DRAM′s angewendet wird, die weitere Versorgungsspannung VDD zu gewinnen.

Claims (5)

1. Integrierte Schaltung mit einem Schaltungskern (K) und einer Schaltungsperipherie (IN, OUT), bei der der Schaltungs­ kern mindestens einen Schaltungsblock (B12) aufweist, der je­ weils mit mindestens einem Transferelement verbunden ist, wo­ bei ein einzelnes Transferelement (T1) jeweils nur aus einem einzigen Feldeffekttransistor besteht, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein Schaltungsblock (B12) mindestens eine CMOS-Stufe besitzt, die n-Kanal und p-Ka­ nal Feldeffekttransistoren (NB, PB) aufweist, und sowohl mit Massepotential (M) als auch mit einer Versorgungsspannung (VCC) verbunden ist, daß der Feldeffekttransistor des Trans­ ferelements (T1) eine größere Gateoxiddicke (D2) aufweist, als die Gateoxiddicke (D1) der n-Kanal und p-Kanal Feldeffekttran­ sistoren (NB, PB) der CMOS-Stufe, daß beim jeweiligen Transfer­ element an das Gate des Feldeffekttransistors eine mindestens um den Betrag der Einsatzspannung dieses Feldeffekttransistors höhere maximale Steuerspannung (V1) anlegbar ist als die Ver­ sorgungsspannung (VCC), sofern das jeweilige Transferelement aus einem n-Kanal Feldeffekttransistor besteht, und daß beim jeweiligen Transferelement an das Gate des Feldeffekttransi­ stors eine mindestens um den Betrag der Einsatzspannung dieses Feldeffekttransistors niedrigere minimale Steuerspannung (V1) anlegbar ist als das Massepotential (M), sofern das Transfer­ element aus einem p-Kanal Feldeffekttransistor besteht.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus der Gate­ oxiddicke (D2) beim Transferelement (T1 . . . T3) zur Gateoxid­ dicke (D1) beim Schaltungsblock (B12, B34) dem Verhältnis aus der maximalen Steuerspannung (V1 . . . V3) für das Transferele­ ment zur Versorgungsspannung (VCC) entspricht.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens ein Transfer­ element (T1) ein Eingang (1) und/oder über mindestens ein Trans­ ferelement (T3) ein Ausgang (4) eines Schaltungsblocks (B12, B34) mit der Schaltungsperipherie (IN, OUT) verbindbar ist und/oder daß über mindestens ein Transferelement (T2) ein Aus­ gang (2) eines Schaltungsblocks (B12) mit einem Eingang (3) eines weiteren Schaltungsblocks (B34) miteinander verbindbar ist, sofern mindestens ein weiterer Schaltungsblock vorhanden ist.

4. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Trans­ ferelemente (T1 . . . T3) entweder in Form von n-Kanal Feldeffekt­ transistoren oder alle Transferelemente in Form von p-Kanal Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.

5. Integrierte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Schaltungskern (K) eine Ansteuerschaltung (A) befindet, die, sofern alle Transferelemente aus n-Kanal Feldeffekttran­ sistoren bestehen, mit Massepotential (M) und einer weiteren Versorgungsspannung (VDD) verbunden ist, und sofern alle Transferelemente aus p-Kanal Feldeffekttransistoren bestehen, mit der Versorgungsspannung (VCC) und einer weiteren Versor­ gungsspannung verbunden ist, wobei letztere um den Betrag der Einsatzspannung des Feldeffekttransistors für das jeweilige Transferelement niedriger als das Massepotential (M) ist, Feld­ effekttransistoren (NA, PA) aufweist und in der mindestens eine Steuerspannung (V1 . . . V3) für mindestens ein Transferele­ ment (T1 . . . T3) bildbar ist, wobei die weitere Versorgungs­ spannung der maximalen Steuerspannung des Transferelements ent­ spricht und wobei die Feldeffekttransistoren (NA, PA) der An­ steuerschaltung (A) die größere Gateoxiddicke (D2) des Trans­ ferelements besitzen.