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CN101287304B - 具有厚氧化物输入级晶体管的深亚微米mos前置放大器 - Google Patents

具有厚氧化物输入级晶体管的深亚微米mos前置放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电容式话筒装置，包括：电容式话筒换能器，具有被相邻近地放置的振动片和背板部件，在振动片和背板部件之间具有气隙。此外，该装置还具有深亚微米MOS集成电路管芯，包括前置放大器，该前置放大器包括用于接收由电容式话筒换能器所产生的电信号的第一信号输入端。所述第一信号输入端可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括厚氧化物晶体管。本发明还涉及一种深亚微米MOS集成电路管芯，包括基于厚氧化物晶体管的前置放大器。

Description

具有厚氧化物输入级晶体管的深亚微米MOS前置放大器
技术领域
本发明涉及集成电路管芯和包括这种集成电路管芯的电容式话筒装置。集成电路管芯利用深亚微米MOS技术制造，其包括前置放大器，该前置放大器包括具有厚氧化物MOS晶体管的输入级。
背景技术
随着近代MOS集成电路、特别是CMOS集成电路制造技术的进步，器件的几何特征不断缩小，使得有源器件、例如晶体管的密度能够不断提高。然而，几何特征的缩小引起的问题包括，严格限制电路的最大允许电压以避免例如晶体管的栅氧化物的破坏性击穿。在某些情况下，克服这些限制的一个方法是提供适合于较高电压工作的所谓厚氧化物晶体管。因此，通过增加栅氧化物层的厚度，晶体管就能够在较高的电压电位下工作。
在专利文献中能够找到适用于处理由电声换能器产生的信号的具有放大器和/或缓冲器的电子装置的技术领域中的各种文献。这样的文献例如有由本发明的受让人所提出的WO02/073792、US2004/0202345、US2005/0151589、US2007/0009111、US7,149,317和EP1599067。然而，所有这些文件的公开都关于仅具有薄氧化物晶体管的电子装置。
深亚微米CMOS技术的比校不被赏识的特性是，使用氮氧化物来实现典型的薄氧化物晶体管所需的非常薄的栅氧化物。对于具有最小特性尺寸低于0.35微米的深亚微米技术来说，作为栅氧化物材料的选择，用氧氮化物替代了传统的氧化硅。使用氧氮化物的一个显著的缺点是晶体管闪烁噪声的极大增加，该噪声的增加源于氧氮化物栅材料的载流子陷阱密度的提高。作为薄栅氧化物的结果，薄氧化物晶体管同时展现了可能严重损害某些类型的前置放大器、特别是适用于诸如微型电容式话筒和微型电子话筒之类电容性换能器的前置放大器的噪声特性的、更高的每单位栅面积的电容量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种基于MOS晶体管的前置放大器，其具有由深亚微米MOS技术实现的低噪声输入级，基于MOS晶体管低噪声输入级的特征在于极低的闪烁噪声水平。
根据上述目，第一方面，本发明提供一种深亚微米MOS集成电路管芯，包括前置放大器，该前置放大器包括用于接收由相关联的电声换能器产生的电信号的第一信号输入端，所述第一信号输入端被可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括厚氧化物晶体管。
在此“输入级”含义是前置放大器中的、最靠近信号输入端的、被配置为接收来自诸如电容式话筒换能器或唱头之类电换能器的信号的放大或缓冲晶体管器件。
由于厚氧化物晶体管的单位栅面积的栅电容量低，并且由于已知可通过提高晶体管的栅尺寸来降低闪烁噪声，提高了栅尺寸的厚氧化物晶体管可以优选地被用于放大或缓冲来自诸如电容式话筒换能器或源电容量为0.5～10pF的唱头之类的容性话筒换能器的冲放大器信号。当源/发生器的电容量接近放大器或缓冲器中的第一级的输入电容量时，通常能达到噪声的最优耦合。
厚氧化物晶体管的栅氧化物的厚度可在4～40nm范围内，例如8～20nm范围内，例如近似为13.5nm。
该厚氧化物晶体管可以包括P型或N型MOS晶体管，其栅电容量近似与换能器或源电容量匹配。因此，对于微型电容式话筒换能或唱头，第一信号输入端的输入电容量可以小于50pF，例如小于40pF，例如小于30pF，例如小于10pF，例如小于5pF。类似地，第一信号输入端的输入阻抗可以大于10GΩ，例如大于50GΩ，例如大于100GΩ，或甚至更优选地大于1000GΩ。
深亚微米MOS集成电路管芯的厚氧化物晶体管可具有0.5～10pF的栅电容量，例如在1～8pF范围内，或甚至更优选地在2～6pF范围内。
在本发明的一个实施例中，前置放大器的PMOS输入晶体管的栅尺寸(W/L)被选择为600μm/1μm，这特别适合于耦合至具有约5～6pF发生器电容量的MEMS话筒换能器。
该前置放大器可以进一步包括可操作地耦合到P型MOS晶体管的源极输入的第二信号输入端，而该第一信号输入端可操作地耦合到P型或N型MOS晶体管的栅极输入。该第一和第二信号输入端分别可操作地连接到相关联的电容式话筒换能器的相关联的振动板和背板部件上。在本发明的另一实施例中，前置放大器包括具有一对厚氧化物NMOS或PMOS晶体管的差分输入级。
深亚微米MOS集成电路管芯的第一信号输入端可以通过直流阻断电容器耦合到厚氧化物晶体管。该直流阻断电容器的电容量可以为5～500pF。
此外，深亚微米MOS集成电路管芯可进一步包括话筒偏置电压源，其被配置为在深亚微米MOS集成电路管芯的一对端子之间提供预定的直流偏置电压，以在相关联的振动片与背板部件之间提供直流偏置电压。话筒偏置电压源可以将直流偏置电压提供给第一信号输入端，该第一信号输入端可以连接到高阻抗元件以保证前面提及的10～1000GΩ或更高的输入阻抗。高阻抗元件可包括一个或多个电阻器、耦合为二极管形式的一个或多个晶体管、或一对或多对反向偏置半导体二极管。偏置电压可以为4～10V。
深亚微米MOS集成电路管芯的可进一步包括被配置为提供被稳压了的直流电压的电压调节器，该电压调节器被可操作地耦合到P型或N型MOS晶体管的源极输入。
本发明的第一方面的深亚微米MOS集成电路管芯可以表现出参考第一信号输入端的A计权输入折算噪声(A-weighted input referred noise)小于2μVRMS，例如小于1μV RMS。类似地，输入折算噪声电压密度的闪烁噪声转角可小于1kHz，例如小于500Hz，例如小于100Hz。
厚氧化物晶体管的栅氧化物可包括氮化了的二氧化硅。
第二方面，本发明涉及一种具有电容式话筒换能器和深亚微米MOS集成电路管芯的电容式话筒装置，该电容式话筒换能器包括具有被相邻近地放置的振动片和背板部件，在振动片和背板部件之间具有气隙，该深亚微米MOS集成电路管芯包括前置放大器，该前置放大器包括用于接收由电容式话筒换能器所产生的电信号的第一信号输入端，所述第一信号输入端可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括厚氧化物晶体管。
电容式话筒换能器的换能器电容量可以为0.5～10pF。电容式话筒换能器可以包括MEMS话筒换能器，例如硅基换能器，这种换能器包括可移位的振动片和具有内置空气流通通道的背板。该可移位的振动片具有高导电性以将电容式话筒体电屏蔽以避免与背板的显著的容性耦合。
电容式话筒装置可进一步包括话筒外罩或外壳，该话筒外罩或外壳具有优选地通过声学通道与电容式话筒换能器声学地连接的声音输入口。这样，声音信号从话筒外罩或外壳外部被导向电容式话筒换能器。从声音输入端延伸到电容式话筒换能器的声音入口的声学通道形成对话筒外罩或外壳的其余部分的内部的声学密封。话筒外罩或外壳还可以包括多个可外部连接的电端口以便向电容式话筒装置提供电信号以及从电容式话筒装置提供电信号。这样的电信号包括电源信号、代表所检测的声学信号的输出信号等。深亚微米MOS集成电路管芯可以优选地放置在话筒外罩或外壳之内。
前置放大器可进一步包括第二输入端，其中第一和第二信号输入端分别被可操作地耦合到振动片和背板部件。
前置放大器的厚氧化物晶体管可以包括P型MOS晶体管或N型MOS晶体管。厚氧化物晶体管的栅氧化物的厚度可以为4～40nm，例如为8～20nm。
深亚微米MOS集成电路管芯可进一步包括话筒偏置电压源，其被配置为在深亚微米MOS集成电路管芯的一对端子之间提供预定的直流偏置电压，以在相关联的振动片与背板部件之间提供直流偏置电压。偏置电压源可以被配置为提供4～10V的直流偏置电压。话筒偏置电压源可以将直流偏置电压提供给第一信号输入端，该第一信号输入端可以连接到高阻抗元件以保证前面提及的10～1000GΩ或更高的输入阻抗。高阻抗元件可包括一个或多个电阻器、耦合为二极管形式的一个或多个晶体管、或一对或多对反向偏置半导体二极管。
另外，所述第一信号输入端可以通过直流阻断电容器耦合到厚氧化物晶体管。该直流阻断电容器的电容量可以为5～500pF。
第一信号输入端的输入电容量可以小于50pF，例如小于40pF，例如小于30pF，例如小于10pF，例如小于5pF。类似地，第一信号输入端的输入阻抗可以大于10GΩ，例如大于50GΩ，例如大于100GΩ，或甚至更优选地大于1000GΩ。
厚氧化物晶体管的栅电容量可以在0.5～10pF范围内，例如在1～8pF范围内，或甚至更优选的在2～6pF范围内。
电容式话筒装置的深亚微米MOS集成电路管芯可以表现出涉及第一信号输入端的A计权输入折算噪声(A-weighted input referred noise)小于2μVRMS，例如小于1μV RMS。类似地，输入折算噪声电压密度的闪烁噪声转角可小于1kHz，例如小于500Hz，例如小于100Hz。
厚氧化物晶体管的栅氧化物可包括氮化了的二氧化硅。
在第三方面，本发明涉及一种便携式通信装置，其包括本发明第一方面的深亚微米MOS集成电路管芯，所述便携式通信装置从包括蜂窝电话，助听器，PDA，游戏机，便携式电脑、和它们的任意组合的组中选出。
在第四方面，本发明涉及一种便携式通信装置，其包括本发明第二方面的电容式话筒装置，所述便携式通信装置从包括蜂窝电话，助听器，PDA，游戏机，便携式电脑、和它们的任意组合的组中选出。
附图说明
本发明将结合相关附图进行详细说明，其中，
图1显示了话筒前置放大器输入级的简化框图，
图2显示了薄氧化物PMOS晶体管的横截面视图，和
图3显示了厚氧化物PMOS晶体管的横截面视图。
具体实施方式
虽然本发明易做各种变形和替代形式，但在此通过图示的例子详细说明了具体的实施例。但是，要理解的是，本发明不限制于公开的具体形式。相反，本发明涵盖落入所附的权利要求所定义的本发明的精神和范围之内的所有变形、等价物、和替代形式。
在其最通常的方面，本发明涉及具有前置放大器的深亚微米MOS集成电路管芯，例如CMOS集成电路管芯。该前置放大器包括用于接收由例如由电容式话筒换能器所产生的电信号的第一信号输入端。所述第一信号输入端被可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括在闪烁噪声和输入电容量方面具有出色特性的厚氧化物晶体管。
图1显示了根据本发明的一个实施例的硅基话筒装置。用于电容式换能元件3的高阻抗直流偏置电压源1和直流阻断电容器5都集成在电子装置即集成半导体电路管芯6上，还一起集成了输入级厚氧化物P型场效应晶体管7和可选的电压调节器8，其中输入级厚氧化物P型场效应晶体管7优选为PMOS晶体管。高阻抗直流偏置电压源1被示意性地表示为直流偏置电压发生器与大的串联电阻的级联。高阻抗直流偏置电压源1可以实际上包括电压泵或倍增器，例如迪克森电压倍增器，利用集成电路管芯6的电源电压(VDD)以产生信增了的更高的直流电压。在本发明的一个实施例中，1.8伏特的额定电源电压被倍增以产生约8伏特的高阻抗直流偏置电压。
厚氧化物PMOS晶体管7参考电压源节点14。电压源节点14可由话筒装置的外部电源电压VDD直接驱动，或替代的，可通过由调节器电路8调节并稳定外部电源电压VDD来驱动。调节器电路8提供为了耦合至PMOS晶体管7放大器元件所需的低输出阻抗。
电容式换能元件3的背板端子13和振动片端子14(也称作电压节点)参考前置放大器的输入级的相同节点。电源节点14的电源噪声被显著减弱，这是因为在14上的任何信号将被共通地施加在话筒前置放大器的PMOS晶体管7的栅输入并且因此不被放大。此外，输入级包括与NMOS晶体管相比通常具有更出色的闪烁噪声特性的厚氧化物PMOS晶体管7。因此，输入级的白噪声和闪烁噪声都被减到最小。
厚氧化物PMOS晶体管7优选地具有在100～5000μm的宽度(W)和0.5～5μm的长度。厚氧化物PMOS晶体管7的栅氧化物的厚度通常在用于亚微米CMOS工艺的4～40nm范围内并且由所选定的半导体工艺所决定。PMOS晶体管的栅电容量优选小于电容式话筒换能器的电容量——例如约10pF。然而，栅电容量也可以更小，例如约5pF或甚至更小。
对于目的是用于电池供电的便携式通信装置的话筒装置，直流偏置电流优选设置为10μA到100μA之间的值，但是在其他类型应用中可以选择其他的直流偏置电流值。
如前所述，第一可外部连接端子13和第二可外部连接端子14分别被可操作地耦合到PMOS晶体管7的栅极和源极输入。第一可外部连接端子13还被耦合到高阻抗直流偏置电压源1以允许该可外部连接端子被电耦合到相关联的电容式换能元件3的背板12或振动片15。PMOS晶体管7的栅极输入通过直流阻断电容器5与设置在第一可外部连接端子13上的直流偏置电压电屏蔽，以允许通过包括一对反向偏置二极管的独立偏置设定网络2来设定PMOS晶体管7的直流偏置点。该一对反向偏置二极管确保高于100GΩ的前置放大器输入级输入阻抗。实际上，以相反极性并联的一对二极管可以具有几TΩ的阻抗。在前置放大器要被集成在ASIC(专用集成电路)中的情况下，可以优选将该一对并联二极管以相反极性的连接方式一起集成到集成电路中。
图2和3显示了薄氧化物晶体管和厚氧化物化物晶体管之间的差别。图2显示了支持阱区23的衬底25的横截面视图。在阱区23中设置源和漏(都标记为22)。晶体管的栅20设置在将晶体管的栅20与阱区23分隔开的薄氧化物层21上。设置触点24以获得与阱区23的电接触。
图3显示了支持阱区33的衬底35的横截面视图。在阱区33中设置源和漏(都标记为32)。晶体管的栅30设置在将晶体管的栅30与阱区33分隔开的厚氧化物层31上。与图2相比，氧化物层31的厚度显著大于氧化物层21的厚度。栅氧化物层31的厚度在4～40nm范围内，例如在一个合适的CMOS工艺中为13.5nm，而在相同的CMOS工艺中栅氧化物层21的典型厚度仅为3.6nm。提供触点34以获得与阱区33的电接触。
管芯的衬底通常是低掺杂硅(P或N型)。阱区通常是相同的硅基材料(P或N型)但是以更高水平掺杂。栅材料典型的是多晶硅而栅氧化物是氮化了氧化硅(“氮氧化物”)。
电路管芯尺寸典型地在0.01～25mm2范围内。晶体管在管芯上的轮廓面积典型地在100～1000000μm2之间。

Claims (28)

1.一种电容式话筒装置，包括：
电容式话筒换能器，具有被相邻近地放置的振动片和背板部件，在振动片和背板部件之间具有气隙；和
深亚微米MOS集成电路管芯，包括前置放大器，该前置放大器包括用于接收由电容式话筒换能器所产生的电信号的第一信号输入端，所述第一信号输入端可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括厚氧化物晶体管，其中
电容式话筒换能器具有在0.5～10pF范围内的换能器电容量，
厚氧化物晶体管的栅电容量在0.5～10pF范围内，并且
厚氧化物晶体管的栅氧化物的厚度在4～40nm范围内。
2.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，电容式话筒换能器包括MEMS话筒换能器。
3.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，还包括话筒外罩，该话筒外罩具有：
与电容式话筒换能器声学地连接的声音输入端口；和
多个可外部连接的电端口，
其中，深亚微米MOS集成电路管芯设置在话筒外罩的内部。
4.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，前置放大器还包括第二输入端，第一和第二信号输入端分别被可操作地耦合至所述振动片和所述背板部件。
5.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，前置放大器的厚氧化物晶体管包括P型MOS晶体管或N型MOS晶体管。
6.根据权利要求5所述的电容式话筒装置，其中，深亚微米MOS集成电路管芯还包括话筒偏置电压源，其被配置为在深亚微米MOS集成电路管芯的一对端子之间提供预定的直流偏置电压。
7.根据权利要求6所述的电容式话筒装置，其中，偏置电压源被配置为提供范围在4～10V的直流偏置电压。
8.根据权利要求6所述的电容式话筒装置，其中，偏置电压源被配置为向第一信号输入端提供直流偏置电压。
9.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，第一信号输入端通过直流阻断电容器耦合到厚氧化物晶体管。
10.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，第一信号输入端的输入电容量小于50pF。
11.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，在第一信号输入端处的输入阻抗大于10GΩ。
12.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，参考第一信号输入端的A计权输入折算噪声小于2μVRMS。
13.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，输入折算噪声电压密度的闪变噪声转角小于1kHz。
14.根据权利要求1所述的电容式话筒装置，其中，厚氧化物晶体管的栅氧化物包括氮化了的二氧化硅。
15.一种深亚微米MOS集成电路管芯，包括前置放大器，该前置放大器包括用于接收由相关联的电容式话筒换能器产生的电信号的第一信号输入端，所述第一信号输入端被可操作地耦合至前置放大器的输入级，所述输入级包括厚氧化物晶体管，其中
电容式话筒换能器具有在0.5～10pF范围内的换能器电容量，
厚氧化物晶体管的栅电容量在0.5～10pF范围内，并且
厚氧化物晶体管的栅氧化物的厚度在4～40nm范围内。
16.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，厚氧化物晶体管包括P型MOS晶体管或N型MOS晶体管。
17.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，深亚微米MOS集成电路管芯还包括话筒偏置电压源，其被配置为在深亚微米MOS集成电路管芯的一对端子之间提供预定的直流偏置电压。
18.根据权利要求17所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，偏置电压源被配置为提供范围在4～10V的直流偏置电压。
19.根据权利要求17所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，偏置电压源被配置为向第一信号输入端提供直流偏置电压。
20.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，第一信号输入端通过直流阻断电容器耦合到厚氧化物晶体管。
21.根据权利要求15所述的深亚微米MOS 集成电路管芯，其中，第一信号输入端的输入电容量小于50pF。
22.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，在第一信号输入端处的输入阻抗大于10GΩ。
23.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，厚氧化物晶体管的栅电容量在0.5～10pF范围内。
24.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，参考第一信号输入端的A计权输入折算噪声小于2μVRMS。
25.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，输入折算噪声电压密度的闪变噪声转角小于1kHz。
26.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，厚氧化物晶体管的栅氧化物的厚度在4～40nm范围内。
27.根据权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，其中，厚氧化物晶体管的栅氧化物包括氮化了的二氧化硅。
28.一种便携式通信装置，包括权利要求15所述的深亚微米MOS集成电路管芯，所述便携式通信装置从包括蜂窝电话、助听器、PDA、游戏机、便携式电脑、和它们的任何组合的组中选出。
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