[发明专利]MOS管阈值扩展电路和阈值扩展方法

说明书

(一)技术领域

本发明属于数字集成电路技术领域，具体涉及一种MOS管阈值扩展技术。

(二)背景技术

随着MOS集成电路技术的飞速发展，集成规模越来越大，集成度越来越高，VLSI(超大规模集成电路)出现一些不足，首先在VLSI基片上，布线却占用70％以上的硅片面积；在可编程逻辑器件(如FPGA和CPLD)中也需有大量可编程内部连线(包括可编程连接开关，如熔丝型开关、反熔丝型开关、浮栅编程元件等)，将各逻辑功能块或输入/输出连接起来，完成特定功能的电路，布线(包括编程连接开关)占了材料很大的成本。减少布线成本的比重成为十分重要的问题。对每根连线传输数字信息，二值信号是携带信息量最低的一种，而多值信号携带信息量大于二值信号，表明从信息传输方面看，采用多值信号可减少连线数。从信息存储方面看，采用多值信号可提高信息存储密度，特别是利用MOS管栅极电容存储信息，同一电容存储信息量多值比二值大。目前多值器件的研制已广泛开展，东芝与Sandisk公司通过70nm的CMOS技术和2bit/单元的多值技术相配合，在146mm²的芯片上实现了8Gbit的存储容量；三星开发的8Gbit产品采用63nm的CMOS技术和2bit/单元的多值技术；4值存储器的研制成功和商品化是多值研究的重要的一步，但需要控制或改变管的开关阈值V_tn，改变阈值方法是在半导体制造工艺中用多级离子注入技术，或控制浮游栅极存储的电子量等方法控制阈值。

现有技术和存在问题：

已有技术控制MOS管阈值的缺点：①控制阈值的幅度有限(因离子注入浓度是有限的)，开启分辨率低；而且工艺中控制阈值幅度常会改变MOS管的性能，例如阈值电压的降低回导致切断电流的剧增，阈值电压的调整对管的性能和稳定性有影响，稳定的V_tn非常重要。对多值记忆，注入浮游栅极的电子量是连续变化的，需极精细地控制，各门槛电压电平尚达不到准稳定状态。因此目前实用的电压型多值电路不大于4值电路，更多值电路应用较困难。②只能控制阈值的幅度，不能改变MOS管开启性质(如变≥t导通为＜t导通)，而多值逻辑门须有二种开启性质的MOS管，才能使组合电路结构最简，例如7值非门、7值右移门和7值跟随器的电路结构本应完全相同，只是阈值电压及其开启性质不同。然而目前只控制阈值幅度的工艺，使上述多值门结构差别很大，结构复杂，影响其实用化。③需要增加离子注入额外的工序，且只能在半导体制造工艺中控制阈值，不但增加工艺复杂性，而且不能在半导体制造工艺后由用户来控制阈值，或阈值用户不可编程。

(三)发明内容

本发明目的是公开MOS管阈值扩展电路和阈值扩展方法，它是基于常规MOS管，用MOS管阈值扩展电路来扩展MOS管阈值，包括阈值放大、缩小、改变MOS管开启性质和提高开启分辨率，通过参考电压V_ref来调节的MOS管阈值。

本发明的MOS管阈值扩展电路的结构为：由阈值鉴别器和反相器二部分组成，阈值鉴别器包括NMOS管G₁₀、PMOS管G₁₁和阈值鉴别器负载，反相器包括PMOS管G₁₂和NMOS管G₁₃；阈值鉴别器中NMOS管G₁₀和PMOS管G₁₁的源极相接，NMOS管G₁₀的漏极接直流电源V_DD，NMOS管G₁₀的栅极接外输入In1，PMOS管G₁₁的栅极接外输入In2，阈值鉴别器负载接在PMOS管G₁₁的漏极和地之间，PMOS管G₁₁的漏极为阈值鉴别器的输出，阈值鉴别器输出接反相器输入；反相器中NMOS管G₁₃的源极接地，PMOS管G₁₂的源极接另一直流电源V_D，PMOS管G₁₂和NMOS管G₁₃的二个栅极相连接为反相器输入；PMOS管G₁₂和NMOS管G₁₃的二个漏极相连接为反相器输出，阈值鉴别器的输出V_out1接受控管G_T1的栅极，反相器的输出V_out0接受控管G_T0的栅极。

本发明的MOS管阈值扩展电路还有这样一些结构特征：