JPH0426250B2 - - Google Patents

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JPH0426250B2
JPH0426250B2 JP21650585A JP21650585A JPH0426250B2 JP H0426250 B2 JPH0426250 B2 JP H0426250B2 JP 21650585 A JP21650585 A JP 21650585A JP 21650585 A JP21650585 A JP 21650585A JP H0426250 B2 JPH0426250 B2 JP H0426250B2
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JP
Japan
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channel
transistors
transistor
gate
insulated gate
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JP21650585A
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English (en)
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JPS6276814A (ja
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Takayasu Sakurai
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Publication of JPS6276814A publication Critical patent/JPS6276814A/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、たとえば実効チヤネル長が1μm以下
のMIS−FET(絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ)を有するサブミクロン半導体集積回路に使用
されるトランスフアゲートに係り、特に相補性の
トランジスタを並列に設けてなるCMIS(相補性
絶縁ゲート型)トランスフアゲートに関する。
〔発明の技術的背景〕
MISトランジスタとして実用化されている
MOS(酸化膜ゲート)トランジスタの実効チヤネ
ル長が1μm以下になると、ドレイン近傍で発生し
たホツトキヤリアがトランジスタの閾値電圧やコ
ンダクタンスを変動させる現象が知られている。
この現象は、サブミクロンゲート長のVLSI(超大
規模集積回路)の信頼性を低下させるので由々し
き問題であり、種々の対応が試みられている。た
とえば、ドレインの不純物濃度分布を制御するこ
とにより閾値変動の少ないMOSトランジスタを
構成することが試みられている。しかし、このこ
とによる改善効果は高々1桁程度であり、信頼性
は未だ十分ではない。このホツトキヤリアによる
MOSトランジスタの劣化は、基板電流が大きけ
れば大きいほど劣化も激しいことが知られている
(E.TAKEDA他,“Hot−Carrier Effects in
Submicron VLSIS”1983年VLSIシンポジウム,
104頁)。また、基板電流は、MOSトランジスタ
のドレイン・ソース電圧VDSに指数函数的に依存
し、この電圧VDSを降下させることはホツトキヤ
リアの発生を激減し得ることも知られている。
ところで、上述したようなMOSトランジスタ
を使用した回路の1つにCMOSトランスフアゲ
ートがあり、その従来の回路を第6図に示してい
る。即ち、入力ノードN1と出力ノードN2との間
に、Nチヤネルエンハンスメント型(E型)トラ
ンジスタQNとPチヤネルE型トランジスタQP
が並列に接続されており、上記トランジスタQN
QPの各ゲートに相補的な制御信号φ,が与え
られる。
上記回路において、第7図に示すように入力ノ
ードN1の電圧をたとえば0Vと5Vとの間でパルス
的に変化させると共に制御信号φ,をたとえば
0Vと5Vとの間でパルス的に変化させて駆動した
とき、出力ノードN2の電圧は一般に良く使用さ
れている回路シミユレータ「SPICE」によつて
図示の如く変化することが求まる。このように回
路を駆動したときにおけるNチヤネルトランジス
タQNのドレイン・ソース電圧VDSとゲート・ソー
ス電圧VGSの軌跡は第8図中に示すようになる。
即ち、第7図におけるタイミングt0のときは、入
力ノードN1の電圧が0Vから5Vに変化するのに伴
つてVGS=0のままVDSが0Vから5Vに変化する。
次に、第7図におけるタイミングt0からt2までの
間は、VGS=0,VDS=5Vのままである。次に、
第7図におけるタイミングt2からt4までの間は、
トランジスタQN,QPがオフからオンに変化し、
出力ノードN2の電位が0Vから5Vに変化するのに
伴つてVGSが0Vから2V程度まで上つて再び0Vに
なると共にVDSが5Vから0Vまで変化する。次に、
第7図におけるタイミングt4からt5までの間は、
制御信号φが5Vから0Vに変化するのに伴つて
VGSが0Vから−5Vになる。次に、第7図におけ
るタイミングt5からt6までの間はVGS=−5Vのま
まである。次に、第7図におけるタイミングt6
らt7までの間は、入力ノードN1の電圧が5Vから
0Vに変化するのに伴つてVGSが−5Vから0Vにな
ると共にVDSが出力ノードN2の電位まで上昇す
る。次に、第7図におけるタイミングt8で制御信
号φが再び0Vから5Vに変化し、出力ノードN2
電位が0Vまで低下するのに伴つてVGSが0Vから
5Vになると共にVDSが0Vまで低下する。次に、
第7図におけるタイミングt9からt10までの間は
VGS=5Vのままであり、タイミングt10からt11
での間は制御信号φが再び5Vから0Vに変化する
のに伴つてVGSは5Vから0Vになる。
なお、第8図中の斜線表示領域は基板電流が大
きく、ホツトキヤリアが多量に発生することが知
られており、この領域での使用、換言すれば前記
VGS−VDSの軌跡が上記領域を通過することは信
頼性上問題があることが“Hot−Carrier
Suppressed VLSI wish Submicron Geometry”
T.Sakurai,M.Kakumu,T.Iizuka,IEEE
International Solid−State Circuit Conf.Digest
of Tech Papers,PP.272〜273,Feb.15(1985)
にも詳述されている。
〔背景技術の問題点〕
然るに、第8図に示した特性からも分るよう
に、従来のCMOSトランスフアゲートのNチヤ
ネルトランジスタQNはVGS−VDSの軌跡が基板電
流の大きな領域を通るのでホツトキヤリアの多量
の発生による劣化が激しく信頼性上問題がある。
なお、Pチヤネルトランジスタは、一般的にNチ
ヤネルトランジスタより3桁程ホツトキヤリアが
少ないと言われており、信頼性が比較的高い。上
記したようなNチヤネルトランジスタの信頼性低
下の問題に対する解決策として、CMOSトラン
フアゲートが使用される回路の電源電圧を現在の
5Vからたとえば3Vに低下させてドレイン近傍の
高電界を減少させることによつて基板電流を減少
させることも考えられる。しかし、このような電
源電圧を3/5に減じると、回路の動作速度がほぼ
3/5に低減されてしまう。このことは、折角、ゲ
ート長の短かいトランジスタを使つて高速、大容
量のVLSIを作る目的に相反することになつてし
まう。なお、サブミクロンVLSIにおけるCMOS
インバータ、ノア回路、ナンド回路等の論理回路
については、上記のように電源電圧を低減させる
ことなく高信頼性を得るようにホツトキヤリアを
抑制し得る回路が本願出願人の出願に係る特願昭
60−13068号により提案されているが、CMOSト
ランスフアゲートについては高信頼性化のための
手法が未だ提案されていない。このため、
CMOSトランスフアゲートを含むサブミクロン
ゲート集積回路は、信頼性上の問題により、結
局、電源電圧を降下させるなどの手段に頼らざる
を得ず、動作の高速化を十分には追求できなかつ
た。
〔発明の目的〕
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、
トランジスタの実効チヤネル長が1μm以下のよう
に短かくても動作の高速性を損なうことなく高信
頼性を有する相補性絶縁ゲート型トランスフアゲ
ートを提供するものである。
〔発明の概要〕
即ち、本発明のCMIS型トランスフアゲート
は、Nチヤネルエンハンスメント型のMIS−
FETを3個直列に接続し、これに並列にPチヤ
ネルエンハンスメント型のMIS−FETを接続し、
前記Nチヤネルの3個直列のトランジスタのうち
外側の2つのトランジスタの各ゲートに定常的に
高いレベルの電圧を与え、残りの中央の1個のN
チヤネルトランジスタには前記Pチヤネルトラン
ジスタ側とは相補的なゲート制御信号を印加する
ようにしてなることを特徴とするものである。
これによつて、Nチヤネルトランジスタそれぞ
れのVGS−VDS軌跡が基板電流の大きな領域を通
過しなくなり、ホツトキヤリアの発生による劣化
が生じなくなり、高信頼性のCMIS型トランスフ
アゲートを提供できるようになる。
〔発明の実施例〕
以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。
第1図に示すサブミクロン集積回路のCMOS
トランスフアゲートにおいて、入力ノードN1
出力ノードN2との間にそれぞれNチヤネルE型
のMOSトランジスタQN1,QN2,QN3が直列に接
続されており、これらに並列にPチヤネルE型の
MOSトランジスタQPが接続されている。そし
て、上記直列接続された3個のトランジスタのう
ち外側のトランジスタQN1,QN3の各ゲートには
定常的に高い“H”レベルの電圧(たとえば集積
回路に外部から与えられるVDD電源電圧)が与え
られ、残り(中側)の1個のNチヤネルトランジ
スタQN2とPチヤネルトランジスタQPとの各ゲー
トには相補的な制御信号φ,が与えられるもの
である。
上記回路について、従来の回路と同様に入力ノ
ードN1の電圧レベルが5V,0Vのときにそれぞれ
制御信号φ,を印加した場合のSPICEシミユ
レーシヨンの結果を第2図に示している。ここ
で、3個直列のトランジスタのうち、トランジス
タQN1,QN2の相互接続点をノードN3、トランジ
スタQN2,QN3の相互接続点をノードN4で表わし
ている。そして、第2図のシミユレーシヨン結果
に基いて従来例で前述したような手法によりVGS
−VDS軌跡をトランジスタQN1,QN2,QN3につい
て求めると、各対応して第3図,第4図,第5図
に示すようになる。ここで、図中の斜線表示領域
はホツトキヤリアが多量に発生する大基板電流領
域(信頼性上の危険領域)を示している。
即ち、上記CMOSトランスフアゲートによれ
ば、第3図,第4図,第5図から分るように、3
個直列に接続されたNチヤネルトランジスタ
QN1,QN2,QN3はそれぞれのVGS−VDS軌跡が前記
危険領域を通過しないので、それぞれホツトキヤ
リアを余り発生せず、具体的には従来例に比べて
2〜3桁少ない。何故なら、ドレイン・ソース間
電圧VDSが1V低くなるとホツトキヤリアの発生量
は約1〜1.5桁少なくなるものであり、従来例の
CMOSトランスフアゲートにおけるNチヤネル
トランジスタのVGS−VDS軌跡(第8図)ではVDS
が5V程度まで到達するのに対して、本実施例に
おいては前述したようにVDSが3V程度までしか到
達しないからである。
なお、CMOSトランスフアゲート中のPチヤ
ネルトランジスタQPについても信頼性(通常、
Nチヤネルトランジスタに比べて格段に良いと言
われている)を一層高めるためには、Nチヤネル
側だけでなくPチヤネル側も直列に3個のPチヤ
ネルトランジスタを接続し、外側のトランジスタ
の各ゲートに定常的に低い“L”レベルの電圧を
与えるようにすればよい。
〔発明の効果〕
上述したように本発明の相補性絶縁ゲート型ト
ランスフアゲートによれば、トランジスタの実効
チヤネル長が1μm以下のように短くても、回路電
源電圧を降下させることなくホツトキヤリアの発
生を抑制でき、高信頼性が得られる。したがつ
て、耐ホツトキヤリア性の良い論理回路と共に上
記トランスフアゲートをサブミクロン集積回路で
使用すれば、チツプ全体の動作電圧を降下させな
くてもよい集積回路を設計でき、高速性を損なう
ことなく高信頼性を有するサブミクロン集積回路
を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に係るCMOSトラ
ンスフアゲートを示す回路図、第2図は第1図の
回路の動作についてのシミユレーシヨン結果を説
明するために各部電圧を示す波形図、第3図乃至
第5図は第2図に示したシミユレーシヨン動作に
伴なう第1図中のNチヤネルトランジスタQN1
QN2,QN3のVGS−VDS軌跡を示す図、第6図は従
来のCMOSトランスフアゲートを示す回路図、
第7図は第6図の回路の動作についてのシミユレ
ーシヨン結果を説明するために各部電圧を示す波
形図、第8図は第7図に示したシミユレーシヨン
動作に伴なう第6図中のNチヤネルトランジスタ
のVGS−VDS軌跡を示す図である。 QN1,QN2,QN3……NチヤネルE型MOSトラ
ンジスタ、QP……PチヤネルE型MOSトランジ
スタ、N1……入力ノード、N2……出力ノード、
φ,……制御信号。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 Nチヤネルエンハンスメント型の絶縁ゲート
    型電界効果トランジスタを3個直列接続し、これ
    に並列にPチヤネルエンハンスメント型の絶縁ゲ
    ート型電界効果トランジスタを接続し、前記Nチ
    ヤネルの3個直列のトランジスタのうち外側の2
    つのトランジスタの各ゲートに定常的に高いレベ
    ルの電圧を与え、残りの中央の1個のNチヤネル
    トランジスタには前記Pチヤネルトランジスタ側
    とは相補的なゲート制御信号を印加するようにし
    てなることを特徴とする相補性絶縁ゲート型トラ
    ンスフアゲート。 2 前記各トランジスタは実効チヤネル長が1μm
    以下であることを特徴とする前記特許請求の範囲
    第1項記載の相補性絶縁ゲート型トランスフアゲ
    ート。 3 前記Pチヤネルトランジスタは3個直列に接
    続されており、中央の1個のトランジスタのゲー
    トに前記制御信号が与えられ、外側の2個のトラ
    ンジスタの各ゲートに定常的に低いレベルの電圧
    を与えるようにしてなることを特徴とする前記特
    許請求の範囲第1項記載の相補性絶縁ゲート型ト
    ランスフアゲート。
JP21650585A 1985-09-30 1985-09-30 相補性絶縁ゲ−ト型トランスファゲ−ト Granted JPS6276814A (ja)

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