DE19939245A1

DE19939245A1 - Substratvorspannungsschaltung und Verfahren zum Vorspannen eines Halbleitersubstrats

Info

Publication number: DE19939245A1
Application number: DE19939245A
Authority: DE
Inventors: Alexander Kalnitsky; Pavel Poplevine; Albert Bergemont
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-08-19
Publication date: 2000-04-20
Also published as: KR20000028614A; KR100327064B1; US6078211A

Abstract

Eine Substratvorspannungsschaltung verwendet eine gategesteuerte Diode (118) und einen Erfassungstransistor (128), um das Potential am Substrat (110) auf einen gewünschten Substratvorspannungspegel zu setzen. Das Potential am Substrat wird auf den gewünschten Substratvorspannungspegel gesetzt, indem an die gategesteuerte Diode eine Reihe von Impulsen angelegt wird. Jeder der an die gategesteuerte Diode angelegten Impulse bewirkt das Einleiten einer festen Ladungsmenmge (Qi) in das Substrat. Wenn das Potential am Substrat den gewünschten Substratvorspannungspegel erreicht hat, reichen die Impulse nicht aus, um in das Substrat weitere Ladung einzuleiten. Der Erfassungstransistor wird verwendet, um festzustellen, wann das Potential den gewünschten Substratvorspannungspegel besitzt, indem der Transistor vorgespannt wird, um einen Strom auszugeben, der dem Potential am Substrat entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Substratvorspannungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Vorspannen eines Halbleitersubstrats nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

In integrierten Schaltungen wird das Substrat der Schaltung oftmals sepa rat vorgespannt, um ein Rauschen zu unterdrücken, um die Schwellenspannun gen von MOS-Transistoren präzise zu steuern und um einen Latchup zu verhin dern. Eine Substratvorspannungsschaltung ist eine Schaltung, die einen ge wünschten Substratvorspannungspegel festlegt und aufrechterhält.

Es sind viele Varianten offenbart worden, eine Substratvorspannungs schaltung enthält jedoch typischerweise eine Ladungspumpe, einen die Ladungs pumpe ansteuernden Oszillator und einen Pegeldetektor, der den Oszillator als Antwort auf die am Substrat erfaßte Spannung steuert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Substratvorspannungsschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 zu schaffen, wobei ein flexibleres Verhalten erreicht wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des An spruchs 1 bzw. 9 gelöst.

Die Substratvorspannungsschaltung verwendet eine gategesteuerte Di ode, die in einer auf schwebendem Potential gehaltenen Wanne (im folgenden kurz "schwebende Wanne" genannt) ausgebildet ist. Die gategesteuerte Diode kann beispielsweise das Potential an der schwebenden Wanne auf eine untere Grenze herabpumpen, wobei das Potential an der schwebenden Wanne nicht unter die untere Grenze gepumpt werden kann. Durch Setzen eines gewünschten Substratvorspannungspegels auf die untere Grenze kann die schwebende Wanne, sobald ihr Potential heruntergepumpt worden ist, auf dem gewünschten Substratvorspannungspegel gehalten werden, indem das Potential an der schwe benden Wanne wieder heruntergepumpt wird, sobald das Potential größer als die untere Grenze ist.

Die Substratvorspannungsschaltung, die in einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeittyps gebildet ist, enthält eine erste Wanne eines zweiten Leit fähigkeittyps, die in dem Halbleitermaterial gebildet ist, und eine zweite Wanne des ersten Leitfähigkeittyps, die in der ersten Wanne gebildet ist.

Die Substratvorspannungsschaltung enthält außerdem eine gategesteu erte Diode, die in der zweiten Wanne ausgebildet ist, eine Zellendiode, die zwi schen die gategesteuerte Diode und Masse geschaltet ist, und einen Oszillator, der an die gategesteuerte Diode angeschlossen ist.

Die Substratvorspannungsschaltung wird durch Anlegen von Impulsen an die gategesteuerte Diode betrieben. Die Impulse reichen aus, damit Ladung in die zweite Wanne fließt, wenn das Potential an der zweiten Wanne nicht gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist, und reichen nicht aus, damit La dung durch die Zellendiode fließt, wenn das Potential an der zweiten Wanne gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschrei bung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildun gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Ausführungsform einer Substrat vorspannungsschaltung.

Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Substratvorspannungsschaltung.

Fig. 3 ist ein Graph, der die Anzahl der Impulse gegenüber dem Substratpotential angibt.

Gemäß Fig. 1 ist eine Substratvorspannungsschaltung 100 in einem p- Material 110 wie etwa einem Substrat gebildet und enthält eine n-Wanne 112, die im Substrat 110 gebildet ist, sowie eine p-Wanne 114, die in der n-Wanne 112 gebildet ist.

Die Substratvorspannungsschaltung 100 enthält außerdem mehrere Feld oxidbereiche 116, eine gategesteuerte Diode 118 und einen Erfassungstransistor 128, die jeweils in der p-Wanne 114 ausgebildet sind. Die gategesteuerte Diode 118 enthält einen n⁺-Diffusionsbereich 120, der in der p-Wanne 114 gebildet ist, und einen Inversionsbereich 122, der in der p-Wanne 114 zwischen dem Feldoxidbereich 116 und dem n⁺-Diffusionsbereich 120 definiert ist. Außerdem enthält die gategesteuerte Diode 118 eine Oxidschicht 124, die über dem Inversionsbereich 122 gebildet ist, und ein Diodengate 126, das auf der Oxidschicht 124 über dem Inversionsbereich 122 gebildet ist.

Der Erfassungstransistor 128 enthält seinerseits einen n⁺-Drainbereich 130, der in der p-Wanne 114 gebildet ist, einen n⁺-Sourcebereich 132, der in der p-Wanne 114 gebildet ist, und einen Kanalbereich 134, der in der p-Wanne 114 zwischen den Drain- und Sourcebereichen 130 und 132 gebildet ist. Außerdem enthält der Erfassungstransistor 128 eine Gateoxidschicht 136, die über dem Kanalbereich 134 gebildet ist, und ein Erfassungsgate 140, das über der Gateoxidschicht 136 gebildet ist.

Die Substratvorspannungsschaltung 100 enthält außerdem eine Schal tungsdiode 142, die zwischen dem Diffusionsbereich 120 und Masse geschaltet ist, einen Oszillator 144, der an das Diodengate 126 angeschlossen ist, und eine Steuereinrichtung 146, die an den Erfassungstransistor 128 und an den Oszillator 144 angeschlossen ist.

Während des Betriebs der Substratvorspannungsschaltung 100 wird die n-Wanne 112 auf Masse vorgespannt, während die p-Wanne 114 schwebend gehalten wird. Wenn Leistung zunächst an die Schaltung 100 angelegt wird, be findet sich der p-Wannen/n-Wannen-Übergang im Gleichgewicht oder in der Nähe des Gleichgewichts. Daher liegt das anfängliche Potential an der p-Wanne 114 auf Masse oder in der Nähe von Masse.

Im Betrieb wird das anfängliche Potential an der p-Wanne 114 auf einen gewünschten Substratvorspannungspegel abgesenkt, indem an das Diodengate 126 eine Reihe positiver Impulse angelegt wird. Genauer steuert die Steuerein richtung 146 den Oszillator 144 so, daß er eine Reihe positiver Impulse an das Diodengate 126 ausgibt. Da die Impulse an ein Gate angelegt werden, können die Impulse durch karteninterne Ladungspumpen erzeugt werden, da die Ladungspumpen keinem großen Stromfluß standhalten müssen.

Wenn an das Gate positive Impulse angelegt werden, wird an die Oberflä che der p-Wanne 114 ein positives Potential kapazitiv gekoppelt, das seinerseits den Potentialwall über dem n⁺-Diffusionsbereich 120 zum Übergang der p-Wanne 114 absenkt.

Im Ergebnis fließen Elektronen von Masse durch die Diode 142 zum n⁺- Diffusionsbereich 120, wo die Elektronen in die p-Wanne 114 eingeleitet werden. Die eingeleiteten Elektronen gelangen durch Migration in den Inversionsbereich 122, wo sie eine Inversionsschicht bilden. Gleichzeitig fließen bewegliche Löcher von der p-Wanne 114 durch den Diffusionsbereich 120 und die Diode 142 zur Masse.

Wenn die Spannung am Diodengate 126 auf Masse zurückfällt, werden die Elektronen in der p-Wanne 114, mit Ausnahme der Elektronen, die sich innerhalb einer Diffusionslänge des Übergangsverarmungsbereichs befinden, zu einer Rekombination mit den Majoritätsträgern (Löcher) in der p-Wanne 114 gezwungen (die Schaltungsdiode 142 verhindert, daß die Elektronen zur Masse zurückkehren).

Der Verlust an Löchern aufgrund der Rekombination entfernt die positive Ladung aus der p-Wanne 114, wodurch das Potential an der p-Wanne 114 abge senkt wird. Somit wird das Potential an der p-Wanne 114 jedesmal abgesenkt, wenn an das Diodengate 126 ein Impuls angelegt wird.

Das niedrigste Potential, auf das die p-Wanne 114 abgesenkt werden kann, ist durch die Größe der an das Diodengate 126 angelegten Spannung definiert. Wenn sich das Potential an der p-Wanne 114 ändert, ändert sich auch die Schwellenspannung der Diode 118. Ein Anheben des Potentials an der p- Wanne 114 senkt die Schwellenspannung der Diode 118 ab, während ein Absenken des Potentials an der p-Wanne 114 die Schwellenspannung der Diode 118 anhebt. Somit wird jedesmal, wenn an das Diodengate 126 ein Impuls angelegt wird, das Potential an der p-Wanne 114 abgesenkt und die Schwellenspannung der Diode 118 angehoben.

Sobald die Schwellenspannung der Diode 118 die Größe der an das Diodengate 126 angelegten Spannung übersteigt, kann die an das Diodengate 126 angelegte Spannung den Potentialwall nicht mehr absenken, wodurch der Prozeß gestoppt wird, indem verhindert wird, daß Elektronen in die p-Wanne 114 eingeleitet werden.

Sobald daher die Schwellenspannung die Größe der an das Diodengate 126 angelegten Spannung übersteigt, erreicht das Potential an der p-Wanne 114 eine untere Grenze, die durch Anlegen weiterer Impulse an das Diodengate 126 nicht weiter abgesenkt werden kann. Somit haben irgendwelche Impulse, die an das Diodengate 126 angelegt werden, nachdem das Potential an der p-Wanne 114 die untere Grenze erreicht hat, keine merkliche Wirkung.

Die Größen der an das Diodengate 126 angelegten Spannungsimpulse werden so gewählt, daß die untere Grenze, bei der im wesentlichen keine Ladung durch die Diode 142 in die p-Wanne 114 fließt, wenn der Impuls an das Diodengate 126 angelegt wird, gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist. Daher kann durch Wählen der Größen der Impulse das Potential an der p-Wanne 114 auf den gewünschten Substratvorspannungspegel ohne Absenkung des Potentials unter den gewünschten Pegel abwärtsgesteuert werden.

Obwohl der Oszillator 144 ununterbrochen laufen kann, wobei in diesem Fall der Transistor 128 und die Steuereinrichtung 146 nicht erforderlich sind, ist es wünschenswert, den Oszillator 144 abzuschalten oder die Frequenz des Os zillators 144 zu ändern, wenn das Potential an der p-Wanne 114 auf die untere Grenze oder den gewünschten Substratvorspannungspegel abwärtsgesteuert worden ist. Die Steuereinrichtung 146 bestimmt, wann das Potential an der p- Wanne 114 die untere Grenze oder den gewünschten Substratvorspannungspe gel erreicht hat, indem sie den Strom erfaßt, der aus dem Sourcebereich 132 fließt.

Eine Vorspannung Vdd, die an den n⁺-Drainbereich 130 und an das Erfassungsgate 140 angelegt wird, wird auf einen Spannungspegel gesetzt, der zuläßt, daß aus dem Sourcebereich 132 im wesentlichen kein Strom fließt, wenn das Potential an der p-Wanne 114 gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist, der jedoch zuläßt, daß ein Strom herausfließt, falls das Potential an der p-Wanne 114 über den gewünschten Substratvorspannungspegel angehoben ist.

Die Vorspannung Vdd kann abwechselnd gesetzt werden, um einen Stromfluß beliebiger Größe zuzulassen, wenn das Potential an der p-Wanne 114 gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist, solange die Größe des Stroms zunehmen kann, wenn das Potential an der p-Wanne 114 zunimmt.

Was die Diode 118 betrifft, erhöht ein Absenken des Potentials an der p- Wanne 114 die Schwellenspannung des Erfassungstransistors 128, während eine Erhöhung des Potentials an der p-Wanne 114 die Schwellenspannung am Erfassungstransistor 128 absenkt. Somit senkt ein Erhöhen des Potentials an der p-Wanne 114 über den gewünschten Substratvorspannungspegel die Schwellenspannung des Erfassungstransistors 128 ab, wodurch aus dem Sourcebereich 132 ein Strom fließen kann.

Wenn andererseits das Potential an der p-Wanne 114 den gewünschten Substratvorspannungspegel besitzt, wird die Schwellenspannung des Erfassungstransistors 128 auf den Punkt angehoben, bei dem kein Strom mehr aus dem Sourcebereich 132 fließt.

Nachdem die Steuereinrichtung 146 bestimmt hat, daß das Potential an der p-Wanne 114 gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist, indem sie den aus dem Sourcebereich 132 fließenden Strom erfaßt, kann die Steuerein richtung 144 den Oszillator 146 in der Weise steuern, daß er die Frequenz und/oder die Amplitude der Impulse ändert oder die Ausgabe der Impulse anhält.

In einer realistischen Schaltungsimplementierung wird das Potential an der p-Wanne 114, sobald es auf den gewünschten Substratvorspannungspegel abgesenkt worden ist, aufgrund der thermisch erzeugten Elektronen-Loch-Paare allmählich anzusteigen beginnen.

Die thermisch erzeugten Löcher, die innerhalb einer Diffusionslänge des Übergangsverarmungsbereichs gebildet werden, werden durch das elektrische Feld des Übergangs in die p-Wanne 114 bewegt, wo die erhöhte Anzahl von Lö chern das Potential an der p-Wanne 114 erhöht. Sobald daher der gewünschte Substratvorspannungspegel erreicht worden ist, muß lediglich negative Ladung in die p-Wanne 114 eingeleitet werden, um die Wirkungen der thermisch erzeugten Löcher zu neutralisieren.

Falls die Steuereinrichtung 146 den Oszillator 144 so steuert, daß er die Frequenz und/oder die Amplitude der Impulse ändert, muß die Änderung ausrei chen, damit negative Ladung in die p-Wanne 114 mit einer Rate eingeleitet wer den kann, die gleich oder größer der Rate ist, mit der thermisch erzeugte Löcher der p-Wanne 114 hinzugefügt werden. Falls die Steuereinrichtung 146 den Oszil lator 144 so steuert, daß er die Ausgabe von Impulsen anhält, wenn kein Strom fließt, steuert die Steuereinrichtung 146 den Oszillator 144 außerdem so, daß er erneut mit der Ausgabe von Impulsen beginnt, wenn ein Strom erfaßt wird.

Die Substratvorspannungsgeneratorschaltung 200 von Fig. 2 unterschei det sich von der Substratvorspannungsschaltung 100 dadurch, daß die erstere außerdem einen Rücksetztransistor 150 enthält, der dazu verwendet wird, die p- Wanne 114 zu einer Spannungsquelle 152 durchzuschalten. Der Vorteil der Ver wendung des Rücksetztransistors 150 besteht darin, daß das Potential an der p- Wanne 114 auf ein bekanntes Potential gesetzt werden kann. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 146 das Potential an der p-Wanne 114 durch Impuls steuerung des Gates des Rücksetztransistors 150 auf Masse zurücksetzen, wenn die Spannungsquelle 152 Masse ist.

In einem weiteren Beispiel kann die Steuereinrichtung 146 das Potential an der p-Wanne 114 auf einen Pegel setzen, der etwas größer als der ge wünschte Substratvorspannungspegel ist, indem sie an das Gate des Rücksetz transistors 150 Impulse anlegt, wenn die Spannungsquelle 152 eine negative Spannung besitzt, die etwas größer als der gewünschte Substratvorspannungs pegel ist. Der Vorteil der Verwendung einer negativen Spannung besteht darin, daß an das Diodengate 126 weniger Impulse angelegt werden müssen, um das Potential an der p-Wanne 114 auf den gewünschten Substratvorspannungspegel herabzuziehen.

Falls ferner die Spannungsquelle 152 so konfiguriert ist, daß sie mehrere Spannungen bereitstellt, kann die Substratvorspannungsschaltung 200 dazu verwendet werden, mehrere Substratvorspannungspegel zu erzeugen, indem die Größen der aus dem Sourcebereich 132 fließenden Ströme mit den weiteren Vorspannungspegeln korreliert werden.

Wenn beispielsweise zwei gewünschte Vorspannungspegel, ein erster Vorspannungspegel und ein zweiter Vorspannungspegel, verwendet werden sol len, wird der erste Vorspannungspegel gleich der unteren Grenze gesetzt. Daher kann das Potential an der p-Wanne 114 auf den ersten Vorspannungspegel ge setzt werden, indem die Spannungsquelle 152 auf eine erste negative Spannung gesetzt wird, die etwas größer als der erste Vorspannungspegel ist, das Gate des Rücksetztransistors 150 mit Impulsen versorgt wird und anschließend an das Diodengate 126 eine Reihe von Impulsen angelegt wird, um das Potential an der p-Wanne 114 auf den ersten Vorspannungspegel herabzuziehen.

Der zweite Vorspannungspegel wird seinerseits auf ein Potential gesetzt, das größer als die untere Grenze ist. Wenn das Potential an der p-Wanne 114 gleich dem zweiten Vorspannungspegel ist, muß der aus dem Sourcebereich 132 fließende Strom bestimmt werden.

Sobald diese Bestimmung erfolgt ist, kann das Potential an der p-Wanne 114 auf den zweiten Vorspannungspegel gesetzt werden, indem die Spannungs quelle 152 auf eine zweite negative Spannung gesetzt wird, die etwas größer als der zweite Vorspannungspegel ist, an das Gate des Rücksetztransistors 150 Im pulse angelegt werden und anschließend an das Diodengate 126 eine Reihe von Impulsen angelegt wird, um das Potential an der p-Wanne 114 auf den zweiten Vorspannungspegel herabzuziehen.

Die Steuereinrichtung 146 stellt fest, daß der zweite Vorspannungspegel erreicht worden ist, wenn der aus dem Sourcebereich 132 fließende Strom gleich oder kleiner als der Strompegel ist, der dem zweiten Vorspannungspegel ent spricht. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 146 nicht zulassen, daß der Oszillator 144 weiter Impulse ausgibt, wenn der zweite Vorspannungspegel er reicht worden ist.

Falls die Steuereinrichtung 146 den Betrieb des Oszillators 144 anhält, steuert sie den Oszillator 146 außerdem in der Weise, daß er einen oder mehrere Impulse ausgibt, wenn der aus dem Sourcebereich 132 fließende Strom den Strompegel, der dem zweiten Vorspannungspegel entspricht, übersteigt.

Die negative Ladung Qi, die während eines Impulses in die p-Wanne 114 eingeleitet wird (die Ladung in der Inversionsschicht im stationären Zustand) ist durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

Qi = Cox × Fläche × (Vg - Vt) (1)

wobei Cox die Gateoxid-Kapazität pro Einheitsfläche ist, Fläche die Diodengatefläche ist, Vg die Diodengate-Spannungsimpulsamplitude ist und Vt die Schwellenspannung der gategesteuerten Diode 118 ist.

Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, wird mit jedem Impuls eine feste La dungsmenge Qi in die p-Wanne 114 eingeleitet. Wenn daher die Steuereinrich tung 146 bestimmt, daß die Größe des aus dem Sourcebereich 132 fließenden Stroms den Strompegel übersteigt, der dem zweiten Vorspannungspegel ent spricht, und den Oszillator 144 in der Weise steuert, daß er einen oder mehrere Impulse ausgibt, wird bei einer sehr kleinen Anzahl von Impulsen die konstante Menge eingeleiteter negativer Ladungen die erhöhte positive Ladung, die sich aus den thermisch erzeugten Löchern ergibt, exakt kompensieren. Daher wird in vielen Fällen der konstante Betrag eingeleiteter Ladungen das Potential an der p- Wanne 114 unter den zweiten Spannungspegel ziehen. Die Ladungsmenge, die mit jedem Impuls eingeleitet wird, kann jedoch durch Ändern der Elemente von Gleichung (1) geändert werden.

Statt der Verwendung des Rücksetztransistors 150 kann das Potential an der p-Wanne 114 auch durch Ausnutzung der thermisch erzeugten Löcher erhöht werden. Daher kann das Potential an der p-Wanne 114 durch die Steuereinrich tung 146 auf Masse zurückgesetzt oder auf einen zweiten Vorspannungspegel erhöht werden, indem lediglich die Größe des aus dem Sourcebereich 132 flie ßenden Stroms überwacht wird und indem lediglich der Oszillator 144 angewiesen wird, Impulse auszugeben, wenn die Größe des Stroms den Strompegel über steigt, der Masse bzw. dem zweiten Vorspannungspegel entspricht.

Das Potential an der p-Wanne 114 kann auch dadurch auf Masse zurück gesetzt oder auf einen zweiten Vorspannungspegel erhöht werden, daß der Rück setztransistor 150 auf ein Potential an der p-Wanne 114 gesetzt wird, das niedri ger als Masse oder der zweite Vorspannungspegel ist, und daß dann die thermisch erzeugten Löcher genutzt werden, um das Potential auf Masse oder den zweiten Vorspannungspegel zu erhöhen.

Wenn eine Reihe positiver Impulse verwendet wird, wird der obenbe schriebene Prozeß für jeden positiven Impuls wiederholt, der Anlaß für einen Ladungspumpstrom Icp gibt, der durch die folgende Gleichung (2) gegeben ist:

Icp = f × Qi (2)

wobei f die Frequenz der Reihe positiver Impulse ist. Die lineare Beziehung zwi schen der Frequenz f und dem Ladungspumpstrom Icp liegt vor, falls die Fre quenz f ausreichend niedrig ist, damit zwischen dem Anliegen der Impulse eine effektive vollständige Rekombination der Ladung Qi erfolgt. Die lineare Beziehung gilt bei Raumtemperatur bis zu Frequenzen von mehreren Megahertz.

Für eine gegebene Amplitude des Impulssignals steigt der Ladungspump strom Icp mit steigender Temperatur an. Weiterhin wird die lineare Beziehung aufgrund der erhöhten Ladungskombination, die bei steigender Temperatur er folgt, erweitert.

Die gewünschte Größe der eingeleiteten Ladung Qi pro Impuls wird durch geeignete Festlegung der Größe des Inversionsbereichs 122 (einschließlich des Diodengates 126) und durch Wählen der Amplitude, der Frequenz und des Tastgrades des Impulssignals erzielt.

Die negative Ladung Qi, die in die p-Wanne 114 eingeleitet wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind mehr Impulse erforderlich, um das Potential an der p-Wanne 114 ausgehend von einem Zwischenpegel L2 auf eine untere Grenze L1 zu reduzieren, als erforderlich sind, um das Potential von einer oberen Grenze L3 auf den Zwischenpegel L2 zu reduzieren. (Die obere Grenze L3 ist als das Potential definiert, bei dem der p-Wannen/n-Wannen-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.)

Der Absolutwert der maximalen unteren Grenze, die für die p-Wanne 114 festgelegt werden kann, ist ungefähr äquivalent mit einer Vorspannung Vbb in Rückwärtsrichtung und kann unter Verwendung der folgenden Gleichungen ge setzt werden:

V_t = V_to + k × (|Vbb|)^1/2 (3)

V_g - V_t = V_g - V_to - k × (|Vbb|)^1/2= 0 (4)

Vbb = (1/k × [V_g - V_to])² (5)

wobei V_t die Schwellenspannung der gategesteuerten Diode ist, V_to die Schwel lenspannung bei einer Rückwärtsvorspannung von Null Volt ist, k der Rückwärts vorspannungskoeffizient ist und V_g die Diodengate-Spannung ist. Somit ergibt Gleichung (5), daß in modernen MOS-Technologien, in denen k kleiner als 1 ist und V_to ungefähr 0,4-0,7 V beträgt, der Absolutwert der maximalen unteren Grenze des Potentials an der p-Wanne 114 mindestens gleich der Spannung der Stromquelle ist.

Zusätzlich zu der Verwendung einer p-Wanne, die in einer isolierenden n- Wanne gefertigt ist, die ihrerseits in einem p-Substrat ausgebildet ist, kann die p- Wanne auch in einem n-Substrat gebildet sein.

Weiterhin kann eine n-Wanne in einem p-Substrat oder in einer isolieren den p-Wanne, die ihrerseits in einem n-Substrat gebildet ist, gebildet sein. Ferner können in einer Siliciuminsel, die vollständig von einem Dielektrikum umgeben ist (z. B. SOI-Technologie), eine NMOS-gategesteuerte Diode oder eine PMOS-ga tegesteuerte Diode gebildet sein.

Claims

1. Substratvorspannungsschaltung, die in einem Halbleitermaterial (110) eines ersten Leitfähigkeittyps ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleitermaterial (110) eine erste Wanne (112) eines zweiten Leitfähigkeittyps gebildet ist, in der ersten Wanne (112) eine zweite Wanne (114) des ersten Leitfähigkeittyps gebildet ist, in der zweiten Wanne (114) eine gategesteuerte Diode (118) gebildet ist, zwischen die gategesteuerte Diode (118) und Masse eine Zellendiode (142) geschaltet ist und an die gategesteuerte Diode (118) ein Oszillator (144) angeschlossen ist.

2. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Wanne (114) ein Erfassungstransistor (128) gebildet ist, der von der gategesteuerten Diode (118) beabstandet ist, und an den Oszillator (144) und den Erfassungstransistor (128) eine Steuereinrichtung (146) angeschlossen ist.

3. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die zweite Wanne (114) und an die Steuereinrichtung (146) ein Rück setztransistor (150) angeschlossen ist.

4. Vorspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gategesteuerte Diode (118) einen Diffusionsbereich (120) des zweiten Leitfähigkeittyps, der in der zweiten Wanne (114) gebildet ist, einen Inversionsbereich (122), der in der zweiten Wanne (114) definiert ist und an den Diffusionsbereich (120) angrenzt, eine Oxidschicht (124), die über dem Inversonsbereich (122) gebildet ist, und ein Diodengate (126), das auf der Oxidschicht (124) umfaßt.

5. Vorspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungstransistor (128) beabstandete Source- und Drainbereiche (132, 130), die in der zweiten Wanne (114) gebildet sind und vom Diffusionsbereich (120) und vom Inversionsbereich (122) beabstandet sind, einen Kanalbereich (134), der in der zweiten Wanne (114) zwischen den Source- und Drainbereichen (132, 130) definiert ist, eine Gateoxidschicht (136), die über dem Kanalbereich (134) gebildet ist, und ein Erfassungsgate (140), das auf der Gateoxidschicht (136) über dem Kanalbereich (134) gebildet ist, umfaßt.

6. Vorspannungsschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Oszillator (144) an das Diodengate (126) der gategesteuerten Diode (118) angeschlossen ist.

7. Vorspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellendiode (142) zwischen den Diffusionsbereich (120) und Masse geschaltet ist.

8. Vorspannungsschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (144) eine Reihe von Impulsen ausgibt, wenn dies von der Steuereinrichtung (146) befohlen wird, und die Ausgabe der Impulse anhält, wenn dies von der Steuereinrichtung (146) befohlen wird.

9. Verfahren zum Vorspannen eines Halbleitermaterials (110) auf einen gewünschten Substratvorspannungspegel ausgehend von einem Anfangspegel mittels einer Substratvorspannungsschaltung insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an die gategesteuerte Diode (118) Impulse angelegt werden, die nicht ausreichen, damit Ladung durch die Zellendiode (142) fließt, wenn das Potential an der zweiten Wanne (114) gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor spannungsschaltung mit einem Erfassungstransistor (128), der in der zweiten Wanne (114) gebildet ist und von der gategesteuerten Diode (118) beabstandet ist, und einer Steuereinrichtung (146), die an den Oszillator (144) und an den Er fassungstransistor (118) angeschlossen ist, versehen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungstransistor (128) vorgespannt wird, um einen Strom auszugeben, wenn das Potential an der zweiten Wanne (114) von dem gewünschten Substratvorspannungspegel verschieden ist, und um zu verhindern, daß der Strom vom Erfassungstransistor (128) ausgegeben wird, wenn das Potential an der zweiten Wanne (114) gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (144) an einer weiteren Ausgabe von Impulsen gehindert wird, wenn vom Erfassungstransistor (128) kein Strom ausgegeben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der Erfassungstransistor (128) vorgespannt wird, um einen ersten Strom auszugeben, wenn das Potential an der zweiten Wanne gleich dem gewünschten Substratvorspannungspegel ist, und um einen hiervon verschiedenen Strom auszugeben, wenn das Potential an der zweiten Wanne (114) von dem gewünschten Substratvorspannungspegel verschieden ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Rücksetztransistor (150) verwendet wird, der an die zweite Wanne (114) und an die Steuereinrichtung (146) angeschlossen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rücksetztransistor (150) Impulse angelegt werden, bevor an die gategesteuerte Diode (118) Impulse angelegt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekenn zeichnet, daß vom Erfassungstransistor (128) ein Strom mit einer Größe fließt, die im wesentlichen gleich einem ersten Pegel ist, wenn das Potential an der zweiten Wanne (114) an dem gewünschten Substratvorspannungspegel liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß dem Oszillator (144) befohlen wird, Impulse auszugeben, wenn sich die Größe des Stroms ausgehend vom ersten Pegel ändert, und dem Oszillator (144) befohlen wird, die Ausgabe von Impulsen anzuhalten, wenn die Größe des Stroms im wesentlichen gleich dem ersten Pegel ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Pegel im wesentlichen Null gewählt wird.