專利名稱：Buck降壓轉(zhuǎn)換器襯底噪聲的被動消除方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的襯底噪聲消除，更具體地，涉及Buck降壓轉(zhuǎn)換器襯底噪 聲的被動消除方法。
背景技術：
Buck降壓轉(zhuǎn)換器是本領域中公知的器件。開關Buck降壓轉(zhuǎn)換器在襯底中注入了 噪聲，影響了模擬模塊。 現(xiàn)有的隔離方法都不足以減小襯底噪聲。 Dale H. Nelson等人的美國專利US No. 6， 040， 728提供了一種主動襯底噪聲諸如 消除方法。其中，使用主動方法，并需要設計運算放大器。因此，實現(xiàn)起來較為復雜。
M. Shoyama等人的論文"Mechanism of Common-Mode NoiseReduction in Balanced Boost Switching Converter" (35th Annual IEEEPower Electronics Specialists Conference, Pages :1115-1120 Vol. 2， 20_25June 2004)提出了共模噪聲消 除機制。其中，在Boost升壓轉(zhuǎn)換器(Boostconverter)中使用大負載電感器，降低了接地 線上的噪聲。 圖1是Buck降壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，對于沒有外部肖特基二極 管的Buck降壓轉(zhuǎn)換器來說，由于電源的寄生電感，點A和B處都具有噪聲且噪聲相位相反。 從點A、通過一個n阱/p襯底結(jié)，以及從點B、通過兩個結(jié)，都注入了襯底噪聲，從而導致了 不同的噪聲幅度。 因此，需要一種方法來有效地消除由于開關Buck降壓轉(zhuǎn)換器而產(chǎn)生的襯底噪聲。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種全新且簡單的技術來進一步減小襯底噪聲 并改善電路性能。 前面已經(jīng)提到，對于沒有外部肖特基二極管的Buck降壓轉(zhuǎn)換器來說，由于電源的 寄生電感，點A和B處都具有噪聲且噪聲相位相反，且噪聲幅度也不同。本發(fā)明提出增加一 個適當?shù)碾娙萜?，以獲得幅度相近、相位相反的噪聲，從而在襯底中取得更好的噪聲消除的 效果。 所增加的電容器可以通過M0S電容器、NM0S隔離環(huán)n阱電容器、n阱結(jié)電容器、隔 離P阱結(jié)電容器等來實現(xiàn)。 與現(xiàn)有技術不同，本發(fā)明利用了電容并且易于實現(xiàn)。而且，本發(fā)明利用了Buck降 壓轉(zhuǎn)換器中的接線寄生電感，減小了襯底噪聲。 本發(fā)明給出了一種使用片內(nèi)(on-chip)電容器的被動消除方法來減小Buck降壓 轉(zhuǎn)換器中的襯底噪聲。 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種形成于襯底中的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，包括
P溝道金屬氧化物半導體(PM0S)器件，其中，將驅(qū)動器信號輸入到所述PM0S器件的柵極； N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)器件，其中，將所述驅(qū)動器信號輸入到所述NMOS 器件的柵極，并且其中，所述PMOS器件和所述NMOS器件串聯(lián)連接在電源和地之間；以及
電容器，分別連接到第一節(jié)點和地，所述第一節(jié)點是所述PMOS器件和所述NMOS器 件之間的連接點，所述電容器在第二節(jié)點處和第三節(jié)點處生成幅度相近、相位相反的噪聲， 其中所述第二節(jié)點位于所述PMOS器件和所述電源之間，所述第三節(jié)點位于所述NMOS器件 和所述地之間。 優(yōu)選地，在本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，所述PMOS器件形成在p型襯底中且具有 第一 n型阱；所述NMOS器件形成在p型襯底中且具有第二 n型阱以及所述第二 n型阱中的 第一P型阱。 優(yōu)選地，在本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，所述電容器是MOS電容器。 優(yōu)選地，所述MOS電容器具有與所述地相隔離的第三n型阱，其中，在所述p型襯
底中形成第二 P型阱用作P+保護。 優(yōu)選地，在本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，所述電容器是NMOS隔離環(huán)n阱電容器。
優(yōu)選地，通過以相同形狀和尺寸來布置所述第一 n型阱和所述第二 n型阱，在所述 NMOS器件中形成所述NMOS隔離環(huán)n阱電容器。 優(yōu)選地，在本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，所述電容器是n阱結(jié)電容器。 優(yōu)選地，通過提供第四n型阱以形成n阱結(jié)并將所述第四n型阱連接到所述地，來
形成所述n阱結(jié)電容器。 優(yōu)選地，在本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，所述電容器包括隔離p阱結(jié)和位于所述 電源和所述地之間的解耦電容器。 優(yōu)選地，所述隔離p阱結(jié)和解耦電容器是以連接到所述地的第三p型阱來形成的， 所述第三P型阱位于所述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱之中， 但與所述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱相隔離。


通過參考附圖，本領域技術人員將能夠更好地理解本發(fā)明的目的與優(yōu)勢。在附圖 中 圖1是Buck降壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器的半導體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第一種實現(xiàn)方式；
圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第二種實現(xiàn)方式；
圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第三種實現(xiàn)方式；
圖6示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第四種實現(xiàn)方式；以及
圖7A和7B示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)上的點A和點B 處產(chǎn)生的噪聲的對比。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖來詳細地描述本發(fā)明的各種實施例。
再次參看圖l，對于沒有外部肖特基二極管的Buck降壓轉(zhuǎn)換器來說，由于電源的 寄生電感，點A和B處都具有噪聲且噪聲相位相反。從點A、通過一個n阱/p襯底結(jié)，以及 從點B、通過兩個結(jié)，都注入了襯底噪聲，從而導致了不同的噪聲幅度。 圖2是根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器的半導體結(jié)構(gòu)示意圖。參看圖2，本發(fā)明提 出增加一個適當?shù)碾娙萜鰿1，以獲得幅度相近、相位相反的噪聲，從而在襯底中取得更好的 噪聲消除的效果。 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器形成于p型襯底26中，包括P溝道 金屬氧化物半導體(PMOS)器件ll，其中，將驅(qū)動器10的信號輸入到PMOS器件11的柵極； N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)器件12，其中，將驅(qū)動器10的信號輸入到NMOS器件12的 柵極，并且其中，PMOS器件11和NMOS器件12串聯(lián)連接在電源VDD和地GND之間；以及電 容器Cl，分別連接到第一節(jié)點和地GND，第一節(jié)點是PMOS器件11和NMOS器件12之間的連 接點(接負載)，電容器Cl在第二節(jié)點A處和第三節(jié)點B處生成幅度相近、相位相反的噪 聲，其中第二節(jié)點A位于PM0S器件11和電源VDD之間，第三節(jié)點B位于NM0S器件12和地 GND之間。 如圖2所示，PM0S器件11形成在p型襯底26中且具有第一 n型阱23。 NMOS器件 12也形成在p型襯底26中且具有第二 n型阱24以及第二 n型阱24中的第一 p型阱25。
在圖2中，電容器Cl 一端通過第三節(jié)點B而連接到地GND，另一端則連接到p型襯 底26。 圖3-6給出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的四種實現(xiàn)方式。
圖3示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第一種實現(xiàn)方式。參 看圖3，電容器Cl被實現(xiàn)為M0S電容器。其中，M0S電容器Cl具有形成于p型襯底26中、 與地GND相隔離的第三n型阱27。此外，如圖3所示，在p型襯底26中還形成第二 p型阱 28用作P+保護。 圖4示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第二種實現(xiàn)方式。參 看圖4，電容器Cl被實現(xiàn)為NMOS隔離環(huán)n阱電容器。其中，通過以相同形狀和尺寸來布置 第一 n型阱23和第二 n型阱24，在NMOS器件12中形成所述NMOS隔離環(huán)n阱電容器。
圖5示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第三種實現(xiàn)方式。參 看圖5，電容器Cl被實現(xiàn)為n阱結(jié)電容器。其中，在p型襯底26中提供第四n型阱29以形 成n阱結(jié)，將第四n型阱29連接到地GND，從而形成了 n阱結(jié)電容器。 圖6示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中加入電容器的第四種實現(xiàn)方式。參 看圖6，電容器Cl被實現(xiàn)為包括隔離p阱結(jié)和位于電源VDD和地GND之間的解耦電容器。 其中，隔離P阱結(jié)和解耦電容器是以連接到地GND的第三p型阱30來形成的。第三p型阱 30位于PMOS器件11的第一 n型阱23以及NMOS器件12的第二 n型阱24之中，但與PMOS 器件11的第一 n型阱23以及NMOS器件12的第二 n型阱24相隔離。
根據(jù)上述圖1-6，本發(fā)明還提供了一種用于制造Buck降壓轉(zhuǎn)換器的方法，其包括 如下步驟形成P溝道金屬氧化物半導體(PMOS)器件ll，其中，將驅(qū)動器10的信號輸入到 PMOS器件11的柵極；形成N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)器件12，其中，將驅(qū)動器10的 信號輸入到NMOS器件12的柵極；將PMOS器件11和NMOS器件12串聯(lián)連接在電源VDD和 地GND之間；以及形成分別連接到第一節(jié)點和地GND的電容器C1，第一節(jié)點是PM0S器件11和NMOS器件12之間的連接點(接負載)，電容器CI在第二節(jié)點A處和第三節(jié)點B處生成 幅度相近、相位相反的噪聲，其中第二節(jié)點A位于PMOS器件11和電源VDD之間，第三節(jié)點 B位于NMOS器件12和地GND之間。 如圖2所示，形成PMOS器件11的步驟包括在p型襯底26中提供第一 n型阱23。 形成NMOS器件12的步驟包括在p型襯底26中提供第二 n型阱24以及在第二 n型阱24 中提供第一P型阱25。 在圖2中，電容器CI 一端通過第三節(jié)點B而連接到地GND，另一端則連接到p型襯 底26。 當電容器CI被形成為MOS電容器(圖3)時，在p型襯底26中提供與地GND相隔 離的第三n型阱27。此外，如圖3所示，還包括在p型襯底26中形成第二 p型阱28用作 P+保護。 當電容器C1被實現(xiàn)為NMOS隔離環(huán)n阱電容器(圖4)時，通過以相同形狀和尺寸 來布置第一n型阱23和第二n型阱24，在NM0S器件12中形成所述NM0S隔離環(huán)n阱電容 器。 當電容器Cl被實現(xiàn)為n阱結(jié)電容器(圖5)時，在p型襯底26中提供第四n型阱
29以形成n阱結(jié)，將第四n型阱29連接到地GND，從而形成了 n阱結(jié)電容器。 當電容器Cl被實現(xiàn)為包括隔離p阱結(jié)和位于電源VDD和地GND之間的解耦電容
器(圖6)時，隔離p阱結(jié)和解耦電容器是以連接到地GND的第三p型阱30來形成的。第
三P型阱30提供于PM0S器件11的第一 n型阱23以及NM0S器件12的第二 n型阱24之
中，但與PM0S器件11的第一 n型阱23以及NM0S器件12的第二 n型阱24相隔離。發(fā)明
人對本發(fā)明進行了硅驗證。其中，電容器Cl是使用圖3所示的NM0S電容器來實現(xiàn)的。 圖7A和7B示出了在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)上的點A和點B
處產(chǎn)生的噪聲的對比。從圖7A和7B中可以清楚地看出襯底消除效果。 圖7A是電源VDD (點A)處的波形和地GND (點B)處的波形。從圖7A中可以看出，
兩個波形具有基本相同的幅度與相反的相位。 圖7B中的上圖是重疊在一起的襯底噪聲波形的比較，圖7B中的下圖是重疊在一 起的襯底噪聲頻譜的比較。 此外，根據(jù)上面的詳細描述，可以看出本發(fā)明還提供了一種半導體器件結(jié)構(gòu)，包 括 p型襯底； P溝道金屬氧化物半導體(PM0S)器件，其通過在p型襯底中提供第一 n型阱而形 成于P型襯底中； N溝道金屬氧化物半導體(NM0S)器件，其通過在p型襯底中提供第二 n型阱以及 在所述第二n型阱中提供第一p型阱而形成于p型襯底中，其中，所述PMOS器件和所述NMOS 器件串聯(lián)連接在電源和地之間；以及 電容器，分別連接到p型襯底和地，所述電容器在位于所述PM0S器件和所述電源 之間的一個節(jié)點處和位于所述NM0S器件和所述地之間的另一節(jié)點處生成幅度相近、相位 相反的噪聲。 優(yōu)選地，所述電容器是M0S電容器。其中，所述M0S電容器具有與所述地相隔離的第三n型阱，其中，在所述p型襯底中形成第二 p型阱用作P+保護。 優(yōu)選地，所述電容器是NMOS隔離環(huán)n阱電容器。其中，通過以相同形狀和尺寸來 布置所述第一 n型阱和所述第二 n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔離環(huán)n阱電 容器。 優(yōu)選地，所述電容器是n阱結(jié)電容器。其中，通過提供第四n型阱以形成n阱結(jié)并 將所述第四n型阱連接到所述地，來形成所述n阱結(jié)電容器。 優(yōu)選地，所述電容器包括隔離p阱結(jié)和位于所述電源和所述地之間的解耦電容 器。其中，所述隔離P阱結(jié)和解耦電容器是以連接到所述地的第三P型阱來形成的，所述第 三P型阱位于所述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱之中，但與所 述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱相隔離。
相應地，本發(fā)明還提供了一種制造半導體器件結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟
提供p型襯底； 通過在p型襯底中提供第一 n型阱而在p型襯底中形成P溝道金屬氧化物半導體 (PMOS)器件; 通過在p型襯底中提供第二 n型阱以及在所述第二 n型阱中提供第一 p型阱而p 型襯底中形成N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)器件； 將所述PMOS器件和所述NMOS器件串聯(lián)連接在電源和地之間；以及 形成分別連接到p型襯底和地的電容器，所述電容器在位于所述PMOS器件和所述
電源之間的一個節(jié)點處和位于所述NMOS器件和所述地之間的另一節(jié)點處生成幅度相近、
相位相反的噪聲。 優(yōu)選地，形成MOS電容器。其中，形成所述MOS電容器包括在p型襯底中提供與所 述地相隔離的第三n型阱，且進一步包括在所述p型襯底中形成第二 p型阱用作P+保護。
優(yōu)選地，形成NMOS隔離環(huán)n阱電容器。其中，通過以相同形狀和尺寸來布置所述 第一 n型阱和所述第二 n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔離環(huán)n阱電容器。
優(yōu)選地，形成n阱結(jié)電容器。其中，通過提供第四n型阱以形成n阱結(jié)并將所述第 四n型阱連接到所述地，來形成所述n阱結(jié)電容器。 優(yōu)選地，形成隔離p阱結(jié)和位于所述電源和所述地之間的解耦電容器。其中，所述 隔離P阱結(jié)和解耦電容器是以連接到所述地的第三P型阱來形成的，所述第三P型阱位于 所述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱之中，但與所述PMOS器件的 第一 n型阱以及所述NMOS器件的第二 n型阱相隔離。
權利要求
一種形成于襯底中的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，包括P溝道金屬氧化物半導體(PMOS)器件，其中，將驅(qū)動器信號輸入到所述PMOS器件的柵極；N溝道金屬氧化物半導體(NMOS)器件，其中，將所述驅(qū)動器信號輸入到所述NMOS器件的柵極，并且其中，所述PMOS器件和所述NMOS器件串聯(lián)連接在電源和地之間；以及電容器，分別連接到第一節(jié)點和地，所述第一節(jié)點是所述PMOS器件和所述NMOS器件之間的連接點，所述電容器在第二節(jié)點處和第三節(jié)點處生成幅度相近、相位相反的噪聲，其中所述第二節(jié)點位于所述PMOS器件和所述電源之間，所述第三節(jié)點位于所述NMOS器件和所述地之間。
2. 如權利要求1所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述PMOS器件形成在p型襯底中且具有第一 n型阱；以及所述NMOS器件形成在p型襯底中且具有第二 n型阱以及所述第二 n型阱中的第一 p 型阱。
3. 如權利要求2所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電容器是MOS電容器。
4. 如權利要求3所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述M0S電容器具有與所述地相隔離的 第三n型阱，其中，在所述p型襯底中形成第二 p型阱用作P+保護。
5. 如權利要求2所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電容器是NMOS隔離環(huán)n阱電容器。
6. 如權利要求5所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中，通過以相同形狀和尺寸來布置所述第 一 n型阱和所述第二 n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔離環(huán)n阱電容器。
7. 如權利要求2所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述電容器是n阱結(jié)電容器。
8. 如權利要求7所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中，通過提供第四n型阱以形成n阱結(jié)并 將所述第四n型阱連接到所述地，來形成所述n阱結(jié)電容器。
9. 如權利要求2所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中，所述電容器包括隔離p阱結(jié)和位于所 述電源和所述地之間的解耦電容器。
10. 如權利要求9所述的Buck降壓轉(zhuǎn)換器，其中所述隔離p阱結(jié)和解耦電容器是以連 接到所述地的第三P型阱來形成的，所述第三P型阱位于所述PMOS器件的第一 n型阱以及 所述NMOS器件的第二 n型阱之中，但與所述PMOS器件的第一 n型阱以及所述NMOS器件的 第二n型阱相隔離。
全文摘要
提供一種Buck降壓轉(zhuǎn)換器襯底噪聲的被動消除方法。本發(fā)明給出了一種使用片內(nèi)電容器的被動消除方法來減小Buck降壓轉(zhuǎn)換器中的襯底噪聲。在根據(jù)本發(fā)明的Buck降壓轉(zhuǎn)換器中，增加一個適當?shù)碾娙萜?C1)，以獲得幅度相近、相位相反的噪聲，從而在襯底中取得更好的噪聲消除的效果。所增加的電容器可以通過MOS電容器、NMOS隔離環(huán)n阱電容器、n阱結(jié)電容器、隔離p阱結(jié)電容器等來實現(xiàn)。與現(xiàn)有技術不同，本發(fā)明利用電容，從而易于實現(xiàn)；同時，利用Buck降壓轉(zhuǎn)換器中的接線寄生電感，減小了襯底噪聲。
文檔編號H02M3/155GK101728389SQ20081017386
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權日2008年10月29日
發(fā)明者李菁, 楊健, 毛威, 趙宏偉, 鄭健華 申請人:飛思卡爾半導體公司