專利名稱：具有用于模擬開關的背柵電壓控制器的半導體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及一種包含模擬開關和數(shù)字電路的集成電路(IC)，其中模擬開關和數(shù)字電路共用外部輸入和/或輸出端子，并分別與不同的電源連接。更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種IC電路，其中設置了背柵(back gate)電壓控制器，以防止在模擬開關未工作時有泄漏電流流過。
眾所周知，在同一IC芯片上設置有分別與不同的電源連接的模擬開關和數(shù)字電路。
在描述本發(fā)明之前，最好先結合附

圖1-3說明與本發(fā)明有關的公知的電路。
參考圖1，其概要地展示了設置在同一芯片上的模擬多路轉換開關10和數(shù)字電路12。如圖所示，模擬多路開關10包括p溝道模擬開關14，CMOS(互補型金屬氧化物半導體)模擬開關16和n溝道模擬開關18。盡管圖1中未示出，在開關14與16之間可以設置一個或多個另外的p溝道模擬開關，而且類似地，在開關16與18之間可以耦連一個或多個另外的n溝道模擬開關。p溝道模擬開關14具有源和漏，分別與分壓器20和輸出端22相連。輸出端22與外部電路(未示出)相連，并由數(shù)字電路12共用。模擬開關14的開/關操作由柵控制端26經數(shù)字反相器24施加到模擬開關14柵極上的數(shù)字控制信號來實現(xiàn)。模擬開關14的背柵直接與電源VDD(1)連接。
CMOS模擬開關16包括兩個平行的互補型MOSFET(場效應晶體管)16a和16b。MOSFET 16a的源直接連接到MOSFET 16b的漏和分壓器20。另一方面，MOSFET 16a的漏與MOSFET 16b的源直接連接，并且這些端子與輸出端22連接。CMOS模擬開關的開/關操作由柵控制端28施加到MOSFET 16a和16b柵極上的數(shù)字控制信號控制。應當注意設置了各反相器以將柵控制信號的極性反相。MOSFET16a和16b的背柵分別與電源VDD(1)和地VSS連接。
如同上述的模擬開關14一樣，n溝道模擬開關18的漏和源分別連接到分壓器20和輸出端22。模擬開關18的開/關操作由柵控制端30施加到其柵極上的數(shù)字控制信號執(zhí)行控制。模擬開關18的背柵直接連接到電源VSS。
當使用模擬多路轉換器10時，未使用數(shù)字電路12，反之亦然。
如圖所示，數(shù)字電路12包括兩個互補型MOSFET開關12a和12b，它們串聯(lián)在電源VDD(2)和地VSS之間。當MOSFET 12a和12b分別通過端子32和34施加柵控制信號而導通和關斷時，電源電壓VDD(2)出現(xiàn)在輸出端22。相反，當MOSFET 12a和12b分別導通和關斷時，就將輸出端22的輸出拉向地電平。
圖2是圖1的p溝道模擬開關14的示意圖，圖3是開關14結構的橫截面圖。p溝道模擬開關14本身的構造是公知的技術，因此這里只進行簡要的說明。
如圖3所示，在分別為p+擴散區(qū)40和42的源和漏之間形成p溝道，p+擴散區(qū)40和42在一個n阱中形成。通過形成隔離46而使背柵(由44標出)與有源區(qū)分開，并直接與電源VDD(1)連接。當模擬多路轉換器10未使用時，假定電源VDD(1)由于某些原因(例如降低功耗)而降低。在這種情況下，如果數(shù)字電路12輸出電源電壓(即，VDD(2))，會有不需要的電流從漏42和源40流向背柵44，這是因為在漏42和源40之間的p-n結被正向偏置的緣故。因此，根據(jù)相關的現(xiàn)有技術，即使未使用模擬多路轉換器10，電源VDD(1)也不應當降低(即，保持向背柵44施加電壓)。
但是，當未使用模擬開關時，非常希望能降低模擬輸入電壓，從而節(jié)省功耗。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種背柵電壓控制器，用于在未使用模擬開關時，即使模擬電源電壓降低，也能防止泄漏電流。
本發(fā)明的一個方面在于一種半導體器件，其包括模擬開關和數(shù)字電路，它們形成在一塊集成電路芯片上，并共用一個與外部電路連接的節(jié)點，包括一第一電源，與模擬開關的輸入端連接，模擬開關的輸出可在操作中與所述節(jié)點連接；一第二電源，用于向數(shù)字電路提供電能，數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與所述節(jié)點連接；和一背柵電壓控制器，其與模擬開關的背柵連接，用于響應工作方式控制信號來控制施加到所述背柵上的電壓，所述工作方式控制信號用于確定模擬開關或數(shù)字電路是否能工作。
本發(fā)明的特征和優(yōu)點將通過下面結合附圖的說明而變得更好理解，其中相應的元件由類似的參考標號來標示。
圖1是與本發(fā)明有關的公知電路結構的示意圖；圖2是用于圖1的p溝道模擬開關的示意圖；圖3是圖2中的p溝道模擬開關結構的橫截面圖；圖4表示本發(fā)明內在機理的背柵電壓控制器的示意圖；圖5是本發(fā)明第一實施例的示意圖，其中p溝道模擬開關的背柵是浮置的或隔離的；圖6是本發(fā)明第二實施例的示意圖，其中將施加于背柵的電源電壓順序地從模擬(第一)電源電壓改變?yōu)榈陀谀M電源電壓的數(shù)字(第二)電源電壓；圖7是本發(fā)明第三實施例的示意圖，其中n溝道MOSFET開關用于背柵電壓控制器，用于將背柵與模擬電源隔離；圖8所示是將本發(fā)明應用于具體電路的第一例；圖9所示是將本發(fā)明應用于具體電路的第二例；圖10所示是將本發(fā)明應用于具體電路的第三例；下面將參考圖4對本發(fā)明作簡要的說明。背柵電壓控制器50可在操作中與p溝道模擬開關24的背柵52連接，從而響應于經端子58接收的工作方式控制信號56來控制其電壓。工作方式控制信號56確定模擬開關54是否要被使用。在數(shù)字電路64使用時，只要經柵端子62施加在開關54上的數(shù)字控制信號60保持為高電平，模擬開關54就保持為不工作。
當使用模擬開關54時，開關54響應于數(shù)字控制信號60而開通或關斷。當模擬開關54導通時，施加在輸入端子66的模擬電壓出現(xiàn)在外部端子68。只要開關54保持在使用，背柵電壓控制器50繼續(xù)向背柵52施加模擬電壓VDD(1)(圖1)。
當模擬開關54響應于假定為高電平的數(shù)字控制信號60而不工作時，背柵電壓控制器50將背柵52隔離，或向背柵52施加一低電壓(即，數(shù)字電壓VDD(2))。當背柵52與VDD(1)隔離時，有可能將電源電壓VDD(1)降至低于外部端子68可能的高壓。這是因為不存在在漏和背柵52之間以及源和背柵52之間p-n結反向偏置的可能性。
背柵電壓控制器50的第一實施例將參考圖5加以說明。第一實施例的背柵電壓控制器50采用p溝道模擬開關51的形式。當模擬開關54在使用時，開關51保持導通，從而背柵52直接與模擬電源VDD(1)連接。另一方面，當模擬開關54未使用時，開關51保持截止，從而隔離背柵52。這意味著電源電壓VDD(1)可以被下拉至地電平(例如)以達到電能轉換的目的。
背柵電壓控制器50的第二實施例將參考圖6加以說明。本實施例的背柵電壓控制器50包括兩個p溝道模擬開關80和82。開關80設置在背柵52和電源VDD(1)之間，而另一個開關82則設置在背柵52和電源VDD(2)之間。當模擬開關54在使用時，開關80和82分別響應于施加給端子58a和58b的工作方式控制信號而導通和截止。因此，當模擬開關54使用時，電源VDD(1)與背柵52耦連。另一方面，當模擬開關54不工作并且數(shù)字電路64將被使用時，開關80和82分別截止和導通。因此，背柵52就與電源VDD(2)連接，其電壓等于或低于電源VDD(1)。這意味著模擬電源VDD(1)可降低至VDD(2)。在上面的說明中，當開關80和82分別截止和導通時，最好將開關82的“導通”時間點延遲，以保證開關80和82同時導通。
背柵電壓控制器50的第三實施例將參考圖7加以說明。第三實施例的背柵電壓控制器50是一n溝道模擬開關84。第三實施例的操作基本上與第一實施例的相同，再進一步地說明是多余的，因而為了簡化說明書而省略了對第三實施例的進一步說明。
下面，將分別參考圖8至圖10描述將本發(fā)明應用于實際電路的三個例子。
本發(fā)明應用的第一個例子如圖8所示。圖8中的模擬多路轉換開關11a包括兩個背柵電壓控制器90和92，每一個均與圖5中的背柵電壓控制器50相同。除此以外，模擬多路轉換開關11a基本上與圖1中的相同，從而已經結合圖1所說明的部分在后面的說明中除了必要之外將被省略。
當要使用模擬多路轉換開關11a時，工作方式控制信號56假定為低電平，以便使模擬多路轉換開關11a進入工作狀態(tài)。也就是說，各模擬開關14和16a可以與模擬電源VDD(1)連接。這樣，模擬多路轉換開關11a就可以通過在端子26、28和30中之一上出現(xiàn)的數(shù)字控制信號所選擇的模擬開關有選擇地輸出模擬信號。這樣所選擇的模擬信號就出現(xiàn)在外部端子68上。在上述工作方式中，數(shù)字電路64保持為不工作狀態(tài)。
反之，如果要使用數(shù)字電路64，則工作方式控制信號56假定為高電平，從而模擬多路轉換開關11a進入不工作的狀態(tài)，而數(shù)字電路64進入工作狀態(tài)。數(shù)字電路64與輸入端94連接，輸入端94上施加了二進制數(shù)據(jù)，并且一個端子96與數(shù)字電源VDD(2)連接。數(shù)字電路64包括一反相器98，一與非(NAND)門100，一或非(NOR)門102，一p溝道開關104，以及一n溝道開關106。顯然，因為工作方式控制信號56為高電平，如果數(shù)字數(shù)據(jù)假定為高電平，數(shù)字電路64發(fā)出高電平(即，電源電壓VDD(2))。反之，如果數(shù)字數(shù)據(jù)假定為低電平，則數(shù)字電路64發(fā)出地電平信號。數(shù)字電路的這些輸出出現(xiàn)在外部端68。在上面的說明中，當數(shù)字電路輸出64輸出電源電壓VDD(2)時，各背柵電壓控制器90和92已經截止，從而沒有上面提到的有泄漏電流流過相應模擬開關(14或16a)的現(xiàn)象?？梢岳斫鈭D8中的外部端子68是公用的，以提供模擬或數(shù)字輸出。
圖9顯示了本發(fā)明應用于具體電路的第二個例子，其與圖8中的布局不同之處在于(a)圖9中的布局還包括NAND門110，(b)增加了工作方式控制端59，和(c)工作方式控制信號56只是對數(shù)字電路64不施加。此外，NAND門110的工作方式控制信號從端子112施加，而NAND門110的輸出則送到端子114?？梢岳斫?，施加于端子112的工作方式控制信號假定為高電平，NAND門110將繼續(xù)發(fā)出高電平，而與經外部輸出端子68’所施加的邏輯電平無關。在這種情況下，NAND門110將進入不工作方式。
如上所述，當工作方式控制信號56假定為低電平時，模擬多路轉換開關11a變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。在這種情況下，施加于端子59的方式控制信號應當假定為低電平，以使數(shù)字電路64不工作，而施加于端子112的方式控制信號應當假定為高電平，以便使NAND門110不工作。這樣，由模擬多路轉換開關11a選擇的模擬電壓被施加于外部端子68’。
綜上所述，可以理解通過選擇相應工作方式控制信號的邏輯電平，電路11a、64和110中只有一個可以工作。外部端子68’用于使用模擬多路轉換開關11a的模擬輸出、電路64的數(shù)字輸出、以及NAND門110的數(shù)字輸入通過。
如同圖8中的第一個例子那樣，即使數(shù)字電路64輸出電源電平VDD(2)，或即使NAND門110接受達到電源電平VDD(2)的高電平，因為各柵控制電壓控制器90和92已經截止，因而沒有泄漏電流流過相應的模擬開關(14或16a)。
圖10顯示了本發(fā)明應用于具體電路的第三個例子，其與圖9中的先前例子的不同之處在于圖10中去掉了數(shù)字電路64。而且，工作方式控制信號56也施加于NAND門110的一個輸入端。除此以外，圖10的結構基本與圖9中的一樣。圖10中電路的工作從前面的說明中就可以清楚地理解，因而為了簡捷起見省略了進一步的說明。
應當理解，上述的公開只是表示了本發(fā)明幾個可能的實施例，而作為本發(fā)明基礎的原理并不受它們的限制。
權利要求
1.一種半導體器件，包括模擬開關和數(shù)字電路，它們形成在一塊集成電路芯片上，并共用一個與外部電路耦連的節(jié)點，包括第一電源，與所述模擬開關的輸入端連接，所述模擬開關的輸出可在操作中與所述節(jié)點連接；第二電源，用于向所述數(shù)字電路提供電能，所述數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與所述節(jié)點耦連；和背柵電壓控制器，其與所述模擬開關的背柵耦連，用于響應工作方式控制信號來控制施加到所述背柵上的電壓，所述工作方式控制信號用于確定所述模擬開關或所述數(shù)字電路是否能工作。
2.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述背柵電壓控制器是p溝道MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)開關，并設置在所述背柵與所述第一電源之間，當所述模擬開關在使用時，所述p溝道MOSFET開關將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，而當所述模擬開關未使用時，使所述背柵浮置。
3.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述背柵電壓控制器包括第一和第二p溝道MOSFET開關，所述第一p溝道MOSFET開關設置在所述背柵和所述第一電源之間，而所述第二p溝道MOSFET開關則設置在所述背柵和所述第二電源之間，當所述模擬開關在使用時，所述第一p溝道MOSFET開關將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，當所述模擬開關未使用時，使所述背柵浮置，并且當所述模擬開關未使用時，所述第二p溝道MOSFET開關工作以將所述背柵電壓箝位在第二電源電壓。
4.根據(jù)權利要求1的半導體器件，其中所述背柵電壓控制器是n溝道模擬開關，并設置在所述背柵與所述第一電源之間，當所述模擬開關在使用時，所述n溝道MOSFET開關將所述背柵電壓箝位在第一電源電壓，而當所述模擬開關未使用時，使所述背柵浮置。
全文摘要
一種半導體器件,包括模擬開關和數(shù)字電路,它們形成在一塊集成電路芯片上,并共用一個與外部電路連接的節(jié)點。在該器件中設置一第一電源,與模擬開關的輸入端連接,模擬開關的輸出可在操作中與節(jié)點連接;一第二電源,向數(shù)字電路提供電能,數(shù)字電路的輸入或輸出可在操作中與節(jié)點連接;背柵電壓控制器,其與模擬開關的背柵連接,用于響應工作方式控制信號來控制施加到背柵上的電壓,工作方式控制信號用于確定模擬開關或數(shù)字電路是否能工作。
文檔編號H03K17/041GK1258132SQ99126388
公開日2000年6月28日 申請日期1999年12月17日 優(yōu)先權日1998年12月17日
發(fā)明者馬場不二男 申請人:日本電氣株式會社