TWI260860B - Integrated circuit for level-shifting voltage levels - Google Patents

Description

l26〇86〇 九、發明說明： 【今X明所屬之技術領域】 又=發明係關於-積體電路裝置及其製程方法，尤其是有關於一具有交 ’.、crOSS_latched)電壓位準轉換器（減妙㈣趟㈤的積體電路。 【先前技術】 成電路翻使収量組建程序的半導體基底上的一或多個裝置組 路7^)。隨著製程和材質的演進，半導鮮置自轉户； 如利用此製程產生的最小元二 戰，有待克服。 體私、縮減也伴隨著新的挑 能的時’積體電路的電子使用效率對產品效 置的額定的工她應+賴^=^=«_使’ _微電子裝 和邏辑測試裝置在如此低電/甚^更低。然而，一般積體裝置 裝置之_面成為-具挑作，使得低電壓裝置和—般積體 【發明内容】 有鑑於此，本發明提供_ 輪出端，以及—輪人/輪出電路，'输於出賴=準轉換，包含-輸入/ -供應偏壓下，用以將電壓位 ^出^ ’包含複數裳置，運作於 圍的-輸入/輸出電堡範圍之間轉換。Α毛壓範圍與一高於該核心電壓範 該輸入/輪電路包含 放大器，以及1出峰接於該m目放大器’雛於-第-串聯反相 級包含一第—和第二_°弟-串聯反相放大器。其中該輸出 -體“於搞人/輪出賴與該供應龍

0503-A30872TWF 1260860 ^三^第四電晶體串聯於該輸人/輪出電壓與該供應電壓之間，而該第一和 弟一電晶體，與該第三和第四電晶體交又耦接。 ^第-串聯反相放大器包含-第—轉二p型電晶體互相串聯，一第 =弟二N型電晶體互相串聯，並與該第—與第二p型電晶體串聯，而該 =型電晶體__接到該第三和第四電晶體以及該第—電晶體間極 ’ N型電晶體的亂_接到—輸出訊號，以及該第二 土电_的間極和該第—N型電晶體輕接到該供岸電壓。 』弟:=放大器包含—第—與第二p型電晶體互相串聯，-第 之間的-端Ν觸—帳_職帛-電晶體間極 乂匕3 —褕出級用以產生一篦一 轉換器祕於驗應雙 #，㈣《，-電位 訊號，以及-後級㈣電_接接號並對應地產生—第二驅動 號，並搞接於該電位轉換 剧輪出電路以接收該第一驅動訊 訊號 Κ 、接收该弟二驅動訊號，藉此產生-升級輪出 【實施方式】 本發明係關於一積體带 又問鎖（cr〇SS-latched)電^衣置及其製程方法’尤其是有關於—具有i 將低電準轉換☆ (vdtagelevelshiftei·)的積體電路 調整該低電顧置的輸置橋·解法是，伽·位準轉換& 器是以特定製程和技術訊號的位準。然崎些電壓位準_ 第㈣系為本發明^爾^成本和時間。 β 以核心邏輯裝置製程實作升、:f出電路觸的電關。該升級輪出電物 、作，翻於雙供應龍的顧中。該物輪出電辟

0503-A30872TWF 1260860 :可以用來升級輸出訊號的電壓位準，從核心電壓vDD升到輪入/輪出電 =_亚傳运至輸出端。輸入/輸出電壓乂腦通常遠高於核心電壓〜。 牛例來說，輸入/輪岭壓Vddi〇可以是3.3V而核心電壓Vdd大約是咖。 令^升、’及调丨包路1〇0巾包含至少兩個串聯反相放大器102和串聯反相 “ Ub耦接於一輸出級1〇4。該串聯反相放大器舰包含複數微電子裝 =02a到102d ’串聯於輸入/輪出電壓和、之間。、是_供應偏 厂=地線。該微電子裝置胸和微電子裝置職包含”電晶體，例^ ^金屬氧半雜（ΡΜ·Τ或pM〇s)。_微電子裝置職和微電子 ^置102d射以是N型金騎半導體（顺⑽孤或應qs )。微電子裝 亀至-浮 壯 放迅子衣置1(Lc和102d的主體（bulk)耦接至Vss。每—微電 =^ 102a到I02d包含-間電極，一源級區，以及/或其他特徵。該微電 b和聰的閘電極|馬接至供應偏壓v_。該微電子裝置1〇^ =極麵接至輸出級104。微電子裝置刪的嶋接至用以提供輸 出«至該輪出端的一前級驅動裝置（未圖示）。 同樣地’串聯反相放大器103包含N型裝置和？型裝置職到咖， 串聯於輪入/輪出賴Vddio和Vss之間。該p型電晶體期 廳的基絲接至第2_浮_碰電請。該N ‘二 t N一型電晶體麵雛至輪體胸Π叫別包含-Γ電 Γ '原及區以及/或其他特徵。該ρ型電晶體l〇3b和Ν型電晶體1(Γ 的閘電極耦接至供庳偏厣V 斗 土电日日虹l(bc 級刚。該微電子„ Γ㈣二，型電晶體103^閘電極她至輸出 相器21峨入端雛電極墟至反相器214的輪出端，而該反 %揭接至該則級動裝置（未圖示）。 輸出級1 〇4包含一 ό且P刑壯32： t 電厂堅V_和供二Γ之ΐ P _二聯在輸入/輪出 晶體l〇4d同樣串聯在輸入/輪 、、且P i電曰· l〇4c和P型電 翰出包壓和供應偏壓VBIAS之間。這兩組

0503-A30872TWF !260860 裝置則互相交又耦接或交叉鎖閂Ur〇SS-latched)。；？型裝置1〇 輕接至p型電晶體1G4e的沒極，而p型電晶體购的間 的電趣 °ih^? p £ 104a 而P型電晶體1〇4c白赚雜至一第3圖中的後·二，的 =咖中該P型裝置购到崩d的_接至 7、。 井洞偏壓電路110。 干的~浮動 雖然升級輸出電路100是一用來升級輸入訊號電準 ’將0V至核心電壓I的範圍’升級為供應偏壓VwAS至輪::出電 V卿的範圍，卻可使用與核心電路同樣的半導體製程來製造出電髮 級輸出電路]丨、7胃女$ 換' s之，升 了乂八有/、该心黾路相同的閘氧化層厚度。 兩個供應電_差距相當大，可以採用—單—閘氧化巧程’如果該 =輸瑪峨酬爾編倍，射料— 包日日to 11一揭接於輸入/輸出電遷v Γ；ΓΓ"! (fl〇ating™) Π4., 〇 H、供，偏S VmAS，而該供應偏壓VbRS同時摩馬接於第二P型電曰=116 的源極。第二p别雪曰包日日肢116 Π.,! ；： tr, vddio , ^ 基底和輪出級104¾接至端點114。~反相放大& W中的Ρ型裝置的 第圖如為本叙明更詳細的升級輪出電路· 200包含該升級輸出電路1〇〇和 书關升、，及輪出電路 聯的Ρ型電晶體施和ρ型雷曰體;I 一後級驅動電路206包含串 晶細仏串聯反相卿’以及^電晶體2⑽和Ν型電 1, p206a 乂接收一弟一驅動訊號。該1>型電晶體

0503-A30872TWF 1260860 2〇6b和N型電晶體2〇6c的閘極耦接至供應偏壓VmAS。該N型電晶體2〇6d =間私处過兩個串聯的反相器2} g和反相器22〇 ♦馬接至位準轉換放大器辦 ^生—第二驅動訊號。一升級輪出訊號232連接在-墟於該N型電晶 體2Ο60πΝ型電晶體2〇&的汲極的共用端上。 宅曰 ^準轉換放大器204包含一差動電路，其中第一組串聯的ρ型電晶體 -’a σ Ν型電晶體204b ’轉接於供應偏壓w口 &之間。第二組串 聯的P型電晶體204C和N型電晶體204d，亦_於供應偏屢v祕和％ 2。該兩組電晶體之間交叉域。p型電晶體職的閘_接至p型電 :-04c的及極，而p型電晶體鳥的閑極趣接至p型電晶體鳥的沒 =型\電晶體鳩的閘軸接與該升、_電路⑽_触—輸入訊 型電晶體2〇_間極轉接至反相器216的輸出端，而該反相器 =端則雛至輸入訊號23〇。？型電晶體耻的及極端耗接至反相 消入端，該反相器218又麵接至反相器220和後級驅動電路206。 ^輸入而虎2j〇包含—低電壓範圍，例如介於0V和核心電壓 (含核順VDD) ’被升級輪出電路·接收後，升級至一⑼ ’例如介於供應偏壓ν_和輸人/輸_ v_之間。此電路 單一問氧化層製程實作。該升級輪出電路綱可以被實作於 用於雙供應電壓應用的核心邏輯裝置製程中。 接收Ύ圖系為本毛月11牛級輸入電路300的電路圖。一輸入端304係用來 接收一輸入訊號302，範圍介私工，从 祕““左 粑圍，1於0V到輸入/輸出電壓V娜之間。-電阻306 =至:N型電晶體3〇8的輸入端3〇4。n型電晶體则嶋接 二電路310耗接至㈣電晶⑽ =Ρ:Γ:的—ρ型電晶體3l〇a，p型電晶體通 軸接至電阻3叫N型電晶體遍之間的 308。P型體31〇C的閘電極減至N型電晶體 Π 型電晶體3 1〇C汲極之間的共用端耦接至一

0503-A30872TWF 1260860 夂相态312的輸入端。該反相器312包含一p型電晶體312a串聯一N型電 晶體312b於核心電壓VDD和Vss之間。反相器312的輸出係一訊號314， 乾圍在0V到核心電壓之間。 第5圖釭本蝥明積體電路核心裝置中的電晶體332和輸入/輸出電路中 的電晶體330的區域特寫圖。該電晶體33()是位於第一區域336代表輸入/ 輸出裝置的升級輸出電路100中和升級輸出電路2〇〇或降級輸入電路3〇〇 中的- P型電晶體或- N型電晶體。該電晶體332可以是代表核心裝置和 電路的第二區域338中的P型或電晶體。核心電路中的電晶體33q可 與敌輸入/輸出電路中的電晶體332同時以相同製程產生。電晶體33〇和電 日日版力2可以在基底^4上以習知方法或新技術形成。兩個電晶體的閘電 介層340亦可以在基底334上形成。閘電介層34〇可以是一矽二極體。「閘 電介層」和「閘氧化層」字眼是可替換的。在兩個區域中的閘電介層3如 厚度是相同的。對應電晶體33G和電晶體332的間結構344和間_祕 接著形成。W結構344包含-摻雜多石夕層，同樣以習知或未來技術製成。 電晶體330和電晶體332包含摻雜源極和没極區，其對應地包含輕微接雜 的沒/源區域346和汲/源區域348，以及高度摻雜的汲/源區域35〇和汲/源= 域3S2。源極柄及極區域的組成可使用習知或適當的離子植人技術與配方7 對應的隔離層354和隔離層356用於電晶體33〇和電晶體332，吝' 。 ^ “ 乂屋生馬度 接雜的35〇和352。可預見的是電晶體33〇和第一區域说中其他電晶體呈 有與電晶體332和其他第二區域338中電晶體相同的閑氧化層厚度，=、 可以省略額外的製程步驟。 曰子又’因此 弟6圖係-簡化的架構圖，-電子電路或系統包含至少兩個積體 402和積體電路404摩禹接在-起。每-積體電路4〇2和積體電路姻勺二、— 數半導體裝置，共同提供某種功能。尤其是，該積體電路如2包人=複 心裝置或工作在核心供應電壓範圍的積體電路4〇3 , 匕3硬數核 電壓VDD。每一核心電路404a到404e輕接至_或多 ,、、《 m — 1 ,，，……、 &爾时〇v到核 輪出電路406，藉以 0503-A30872TWF 10 1260860 升痛出訊號，透過該輸出端送出，或 積體電路402中的輪入電路4_和輸入電輪，號。該 級輪出雷敗1ΠΠ⑽/、肢上可以是上述的升 侧和咖Λ f電路200。該積體電路402中的輪出電路购， 亦可以工作在Γ二ΐ上述的降級輸入電路3⑻。藉此，輸出電路. 入/輪出W 圍，即使輸场輪纖的範圍介於叫輸 同樣地，該積體電路綱包含複數運作於核心供應電髮 =〇，其範_咖介謂和核心電壓Vdd之間。每—核心雷路: 用以^Γ織至—或多輸入或輸出電路408，該輸入或輪出電路408 ^ 號。該積ϋΓΓΓ出賴，或_晴續收的輪入訊 呈雕卜:L、、中的輸入電路條’輸入電路4_和輪入電路條 崖t/以疋則述的升級輸出電路100或升級輪出電路200。該輪出雷路 ^和輸出電路408c具體上可以是前述降級輪入電路3〇〇。藉此。 褕出電路姻亦可以工作在核心供應錢範圍，即使輸入和輪出:= 圍介於ov和輪入/輸出電壓VDDI0之間。 u /。本2明雖以較佳實酬揭露如上，然其並翻錄定本發明的範圍， 任何熟習此項技藝者，在不麟本發明之精神和範_，當可做各^ 動與潤飾，因此本發明之纏範圍當視_之中請專利範圍所界定者1準。

0503-A30872TWF 11 1260860 【圖式簡單說明】 =1圖係為本發明之一實施例的升級輪出電路圖； ，第2圖係為本發明之—實施_飾井驗電路圖； f 3圖係為本發明之—實補餅級細電路更詳細電路圖； 第4圖係為本發明之一實施例的降級輪入電路圖； 第項♦、為本發明之一實施例的輪入/輸出電路與積體電路核心裝置中 的電晶體的區域放大圖；以及 第6圖係為本發明之簡化系統架構圖。 【主要元件符號說明】 100〜升級輪出電路； 102〜103〜串聯反相放大器； 102a〜l〇2d〜微電子裝置； 103a〜103d〜P型及N型電晶體； 104〜輪出級； 104a〜104d〜P型及N型電晶體； 110〜浮動井洞偏壓電路； 112〜第一 P型電晶體； 114〜端點； 116〜P型電晶體； 200〜升級輪出電路； 204〜位準轉換放大器·， 204a〜204d〜P型與n型電晶體； 206〜後級驅動電路； 206a〜206d〜P型與n型電晶體； 214〜220〜反相器； 230〜輸入訊號； 232〜升級輪出訊號； 300〜降級輸入電路； 302〜304輪入端； 306〜電阻， 308〜N型電晶體； 310〜電路； 310a〜310c〜P型與n型電晶體； 312〜反相器； 312a〜P型電晶發； 312b〜N型電晶體； 314〜訊號； 330〜332〜電晶體； 334〜基底；

0503-A30872TWF 1260860 336〜第一區域； 340〜閘電介層； 344〜345〜閘結構； 346〜352〜汲/源區域； 354〜356〜隔離層； 402〜404〜積體裝置； 404〜積體裝置； 404a〜404e〜核心電路； 406〜輸出電路； 338〜第二區域； 406a〜406e〜輸入電路及輸出電路； 408〜輸入或輸出電路； 408a〜408e〜輸入與輸出電路 410〜核心電路； 410a〜410d〜核心電路。 0503-A30872TWF 13

Claims (1)

1260^6029586號申請專利範圍修正本 年 修正日期：95.4.17 十、申請專利範圍： 1.-用於電壓轉職之積體 一輸入/輸出端；以及 一輸入/輸出電路，耦接於該輪出 壓下，用以轉換鱗於_核心電壓範圍與—置’運作於 輸出電壓範圍之間，該輸入/輸出電路包在· 曰修(更)正本 供應偏 高於該核心電壓範圍的一輪入/ -輸出級，包含： 電壓與該供應偏壓之間；以及 一第一和第二電晶體串聯於該輪/1印 一第三和第四電晶體串聯於該輪人 該第-電晶體的閘極_於該第三和第㈣賴該供應偏壓之間；其中 三電晶體的閘極織於該第-和第二㊣日:日3體之間的—第―端點，該第 第二、第三、第四電晶體係為P料^肢之間的—第二端點，該第一、 -第-串聯反相放大接該第1點；以及 一第二串聯反相放大器，耦接該第二端點。 1如申請專利範圍第丨項所述之用於電壓位準轉換之積體電路，其中該 第一串聯反相放大器包含： 一第一與第二Ρ型電晶體互相串聯； -第與第一Ν型電晶體互相串聯，並與該第一與第二ρ型電晶體串 聯； 該第一Ρ型電晶體的閘極耦接到該第—端點； 该第一Ν型電曰曰體的閘級搞接到一輪出訊號；以及 該第二Ρ型電晶體的閘極和該第一 Ν型電晶體雛到該供應偏壓。 3.如申請專利範圍第丨項所述之用於電壓位準轉換之積體電路，其中該 第二串聯反相放大器包含： 一第一與第二Ρ型電晶體互相串聯； 一第-與第二Ν型電晶體互相串聯，並與該第—與第二ρ型電晶體串 0503-A30872TWF1 14 1260860 聯， 該第p型電晶體的閘極耦接到該第二端點； 該第-N型電晶體的間級轉接到一輸出訊號的反相；以及 該弟- p型電晶體的開極和該第一 N型電晶體輕接到該供應偏壓。 4·如申請專利範圍第1項所述之用於電壓位準轉換之積體電路，進-步 包含： ，輸出級’用以產生—第—驅動訊號； /電位轉換器，_於該供應偏壓，用以接收—輸人訊號並對應地產 生〆第二驅動訊號；以及 /後級驅動電路’婦於該輪人/輸出電路，以接收該第-驅動訊號， 又’蛛於。亥電位轉換器，以接收該第二驅動訊號，藉以產生一升級輸出 訊號° 5，胁電壓辦轉換之積體祖，包含： /輸入電路，輕接於—赵p山 、’j、而，用以將輸入訊號從一輸入/輸出電壓範 園轉換到一该心電壓範圍； 〆輸出電路，牵馬接於一輪+ 丨入、出而，用以將輸出訊號從一供應偏壓範圍轉 換到該輸入/輸出電壓範圍之間；以及 # ®付 一核〜電路，耦接於一輸入和輪 ^ 相當於該輸入電路和該輸出電路 电路，亚具有一閘極電介層，厚度 一輸出級，包含·· 玉^^層厚度；其中該輸出電路包含·· 一第和第一電晶體串聯於該 一第三和第四電晶體㈣”；輪出電顯該供應驗之間；以及 該第-電晶體的間極輕接於該第‘二輪出電塵與該供應偏屢之間，·其中 三電晶體的_織於該第H =電晶體之間的—第—端點，該第 第二、第三、第四電晶體係為p 體之間的—第二端點，該第一、 一第一串聯反相放大器，耦接C’ 安4罘〜端點；以及 0503-A30872TWF1 1260860 一第二•聯反相放大？§’麵接該第二端點。 6·如申請專利範圍第5項所述之用於電壓位準轉換之積體電里上 第一串聯反相放大器包含： /、中ΰ亥 一第一與第二ρ型電晶體互相串聯； 一第-與第二Ν型電晶體互相串聯’並與該第—與第二ρ型電晶體串 聯； 曰曰 該第- Ρ型電晶體的閘極输_第三和第四電晶體以及一帝曰 體閘極之間的一端點； / 迅郎 該第一 Ν型包日日體的閘級耦接到—輪出訊號；以及

該第二Ρ型電晶體的閘極和該第—Μ電晶體叙接到該供應偏壓。 7·如申請專利範圍第6項所述之用於電壓位準轉換之積體電路二 第二串聯反相放大器包含： ’、Μ 一第一與第二Ρ型電晶體互相串聯； -第-與第二Ν型電晶體互相串聯，並與該第―與第二”雷晶體串 聯； ％曰曰^ 該第- P型電晶體的閘_接到該第—和第二電晶體以及該 體閘極之間的一端點；

該第二N型電晶體的閘級編妾到一輸出訊號的反相；以及 該第二P型電晶體的閘極和該第一 N型電晶體雛到該供應偏壓。 8·如申請專利細第6俩叙用於賴位轉換之碰電路，進一步 包含： -輸出級，用以產生一第—驅動訊號； -電位轉換器’输於該供應偏壓，用以接收—輸人訊號並對應地產 生^一弟·一驅動訊戒；以及 後級驅動包路，輕接於該輪入/輸出電路，以接收該第一驅動訊號， 又耦接於。亥甩位轉換裔，以接收該第二驅動訊號，藉以產生一升級輸出 0503-A30872TWF1 16 訊號。 人如申請專鄕面第6項所述之 翁出電壓範圍在0V到3 JV之間，、錢位準轉換之積體電路，其中該 σ亥核心電壓範圍在〇y到1.8y之 ” 1申凊專利範圍第6項所述之 ，入/輪出電財大於該供應纏的一 _解轉換之積體電路，其中 ]1.1於電_專換之積 、 -輪由級，包含: 為，包含·· t和第二電晶體串聯於該輪人I 、 一弟三和第四電晶體串聯於錄二电壓與該供應偏屢之間’·以及 該第-電晶體的__於該第三^=電屡與該供應偏屢之間；其中 三電晶體的間極_於該第―和第二:^晶體之間的-第-端點，該第 第一、第三、第四電晶體係為p型半導P *之Θ的—第二端點’該第-、 -第-串聯反相放大器，耦接該第:端 一第二串聯反相放大器，輕接於該第二端點以及 12·如申請專利範圍第n項所述之 、 該第-串聯反相放大器包含： 、壓位準轉換之積體電路，其中 聯； 苐與苐一 P型電晶體互相串聯； 第-與第二N型電晶體互相串聯，並與該第一與第 二p型電晶體串 該第一 P㈣晶體的閘極输到該第三和第四電晶體以及 體閘極之間的一端點； 該第一電 曰曰 該第二串聯反相放大器包含： 該第型電晶體的閘級耗翻—輸出訊號；以及 該第二P型電晶體的閘極和該第—_電晶體到舰應偏壓。 η.如申请專利乾圍第11項所述之用於電壓位準轉換之積體電路，其中 0503-A30872TWF1 17 l26〇86〇 —第—與第二p型電晶體互相串聯； 第-與第二N型電晶體互相串聯，並與該第—與第二p型電晶體串 聯； p型電晶體的閘極_到該第-和第二電晶體以及該第-電晶 月豆閘極之間的_端點； 型電晶體的閘級雜接到—輸出訊號的反相；以及 L型電ΐ體的閘極和該第—N型電晶體輪到該供應偏壓。 步包含:D输_第12項所述之用於電壓位準轉換之積體電路，進- =幸:出級，用以產生-第-驅動訊號； %位轉換裔，輕接於該供鹿 生一第二驅動訊號；以及 α 土，用以接收一輪入訊號並對應地產 -後級驅動電路，輪 泰 及輕接於該電位轉換器崎收該第二^ “構以接«第-驅動訊號，以 15·如申請專利範圍第u :動矾號’藉此產生一升級輸出訊號。 合· ’之轉麵鱗觀之積體電路，包 一輪入/輪出區，包含複數輪人 —一核心電路區，鄰近於該輪人/輪構；以及 寺輪入/輸出電路，具有一間 二，包含複數核心電路， 層厚度。 等切細的料 0503-A30872TWF1 18