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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verwenden einer MOS-Struktur
als Entstörkapazität in integrierten
Schaltungen.
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Entstörkondensatoren
("Decaps") werden bei der
Entwicklung von integrierten Schaltungen (IC) zur Rauschentstörung verwendet.
Sie werden tatsächlich
in nahezu allen IC's
häufig
eingesetzt. Eine Art von Halbleiterkondensatoren wird MOS-C oder
Metall-Oxid-Halbleiter-Kondensator genannt. Der MOS-C weist zwei durch
ein dielektrisches Gebiet (das mindestens einen Isolator aufweist,
wie z. B. ein Gate-Oxid) getrennte Anschlüsse auf. Einer der Anschlüsse ist
das Gate und der andere ist das Substrat (und möglicherweise Source- und Drain-Diffusionsgebiete).
Eine andere Art eines Halbleiterkondensators verwendet einen Feldeffekt-Transistor
(FET), wie z. B. einen n-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-FET (n-MOSFET) oder einen
p-Kanal-Metall-Oxid-Halbleiter-FET (p-MOSFET). Einer der Anschlüsse ist
das Gate und der andere Anschluß besteht
aus Source, Drain und Substrat. Die Anschlüsse sind durch ein Dielektrikum
getrennt (das mindestens einen Isolator umfaßt, wie z. B. ein Gate-Oxid).
Ein Unterschied zwischen einem MOS-C und einem FET-Kondensator ist,
daß bei
einem FET Source und Drain andere Polaritäten als das Substrat haben.
Bei einem MOS-C haben die Source/Drain-Diffusionsgebiete (wenn vorhanden) die
gleiche Polarität
wie das Substrat. Das Verhalten von Kondensatoren in integrierten
Schaltungen wird in R. Pierret et al., "Field Effect Devices," (Addison-Wesley,
2. Auflage 1990), Seiten 47–59;
und in N. Weste et al., "Principles
of CMOS VLSI Design," (Addison-Wesley, 2. Auflage
1993), Seiten 180–82
beschrieben.
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Andere
Entstörkondensatoren,
wie z. B. zwischen zwei Metalleitungen eingeschichtete Kondensatoren
mit einem Iso lator mit hoher Dielektrizitätskonstante sind ebenfalls
möglich.
Jedoch werden die Materialherausforderung und die Integration in
heutige MOS-Technologien sehr schwierig.
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Die
Kapazität
eines Kondensators ist durch die Gleichung C = εA/d gegeben, wobei ε die Dielektrizitätskonstante,
A die Fläche
und d der Abstand ist. Es ist wünschenswert,
daß bei
dem Entwurf der ICs die Abmessungen der Bauelemente klein gehalten
werden. Dementsprechend wurde die Fläche A der Kondensatoren mit
den Jahren kleiner, während
der Abstand d zwischen den Elektrode ebenfalls kleiner wurde. Gegenwärtig verwendete
Kondensatorstrukturen arbeiten im allgemeinen recht gut mit dichten
(non-leaking) Oxiden. An die gegenwärtigen Entstörkondensatorstrukturen
werden Spannungen angelegt, um die MOS-C im Inversionszustand zu
halten, wodurch eine maximale flächenbezogene
Kapazität
mit guter Hochfrequenz-Antwortzeit
und geringem Reihenwiderstand erreicht wird. Während sich die Prozeßtechnologie
verkleinert, verkleinern sich ebenfalls die Dicken der Gate-Oxide,
um Transistoren mit guten Stromsteuerfähigkeiten und gutem Kurzkanalverhalten
zu erhalten. Während
sich die Gate-Oxide weiter verringerten, führte diese kapazitive Konfiguration
zu hohen Leckströmen
durch die Oxide (z. B. zunehmende Tunnelverluste).
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Die
Patentschrift
US 5,032,892
A beschreibt einleitend, dass das Risiko eines Gateoxid-Durchbruchs aufgrund
hoher Feldstärken
verringert werden kann, indem unter dem Gateoxid eine an beweglichen
Ladungsträgern
verarmte Schicht geschaffen wird, indem eine Implantation von Dotanden
des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
vorgenommen wird. Die Veröffentlichung
GB 2 138 206 A beschreibt
einen variablen Kondensator, dessen Kapazität unabhängig von der anliegenden Signalspannung
sein soll, und schlägt
die Stabilisierung des Kapazitätswerts
durch Erzeugen einer Verarmungsschicht (Sperrschicht) tief im Halbleitersubstrat vor.
Die Patentschrift
US
5,965,928 A befasst sich mit der Schaffung eines MOS-Kondensators,
dessen Kapazität
bei höheren
Frequenzen unabhängig
von der anliegenden Spannung (und Polarität) ist. Es wird hier die Parallel-Schaltung
zweier Teilkondensatoren mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
in dem oberflächennahen
Halbleitersubstrat vorgeschlagen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, bei einer Verwendung als Entstörkondensator
eingesetzten MOS-Struktur mit dünnem
Gate-Oxid die Leckströme
zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Verschiedene
Konfigurationen können
eingesetzt werden, einschließlich:
n+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebiete
in einem n-Substrat; p+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebiete in einem n-Substrat;
p+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebiete
in einem n-Substrat; p+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebiete in einem p-Substrat;
n+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebiete
in einem p-Substrat; n+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebiete in einem p-Substrat.
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung und der
begleitenden Zeichnungen näher
beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit p+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebieten
in einer n-Wanne im Inversionsmodus (Stand der Technik).
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2 zeigt
eine graphische Auftragung der Kapazität über der Gate-Substrat-Spannung für Kondensatoren
mit n-Substraten mit einer verschwindenden Austrittsarbeit.
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3 zeigt
eine graphische Auftragung der Kapazität über der Gate-Substrat-Spannung
für Kondensatoren
mit n-Substraten mit einer nicht-verschwindenden Austrittsarbeit.
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4 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit p+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebieten
in einer n-Wanne.
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5 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit p+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebieten
in einer n-Wanne.
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6 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit p+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebieten
in einer n-Wanne.
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7 zeigt
eine graphische Auftragung der Kapazität über der Gate-Substrat-Spannung
für Kondensatoren
mit p-Substraten mit verschwindender Austrittsarbeit.
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8 zeigt
eine graphische Auftragung der Kapazität über der Gate-Substrat-Spannung
für Kondensatoren
mit p-Substraten mit nicht-verschwindender Austrittsarbeit.
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9 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit n+-Gate und n+-Source/Drain-Gebieten
in einem p-Substrat im Inversionsmodus (Stand der Technik).
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10 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit p+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebieten
in einer p-Wanne.
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11 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit n+-Poly-Gate und p+-Source/Drain-Gebieten
in einer p-Wanne.
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12 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines Kondensators mit n+-Poly-Gate und n+-Source/Drain-Gebieten
in einer p-Wanne.
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13 zeigt
eine Blockdarstellung eines Chips mit einem Entstörkondensator
zwischen Vcc und Vss.
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Die
Erfindung beruht auf Halbleiterkondensatoren (Transistor- oder MOS-C), die
in einem Verarmungsmodus betrieben werden, um Verluste durch den
Isolator (z. B. das Gate-Oxid) zu vermindern. Dies ist nicht naheliegend,
weil der Betrieb im Verarmungsmodus die flächenbezogene Kapazität verringert.
Um diese Verringerung der Kapazität wettzumachen, kann die Fläche vergrößert werden,
was unerwünscht
ist. Bei der Erschaffung der Erfindung bemerkten die Erfinder, daß die Anzahl
der Ladungsträger
beim Betrieb im Verarmungsmodus kleiner ist; daher tritt ein geringerer
Tunnelstrom in Gate-Oxid auf und somit geringere Verluste.
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Im
allgemeinen ist es die Idee, von der Benutzung eines MOS-C-Kondensators,
der aus einer MOS-Transistorstruktur, die im Inversionsmodus arbeitet,
abgeleitet ist, abzurücken.
Der alternative Vorschlag besteht darin, eine das Gate-Oxid als
Isolator verwendende, im Verarmungsmodus betriebene Kondensatorstruktur
zu verwenden. Die effektive Kapazität vermindert sich um etwa 25%
(abgeschätzt),
während
sich die Verluste (Leck) bei einer Versorgungsspannung von etwa
1 Volt etwa um den Faktor 100 verringern. Die Verminderung der Kapazität ist in
den C-V-Kurven zu beobachten, wenn der Kondensator im Verarmungsmodus vorgespannt
ist (nahe dem Anreicherungsbereich). Die Verringerung der Verluste
ist Folge der Tatsache, daß nun
weniger Ladungsträger
in dem verarmten Kanal unter dem Gate-Oxid vorhanden sind, die durch
das dünne
Gate-Oxid tunneln
können.
Der Q-Faktor eines solchen Kondensators ist ähnlich dem eines in Inversion befindlichen
MOS-Transistor-Caps,
insbesondere wenn man sich nicht auf die Generierung von Minoritätsladungsträgern und
die Rekombination verläßt, um die
Ladungsträger
zur Verfügung
zu stellen, die benötigt
werden, um auf das Wechselstromsignal zu reagieren, das dem Decap überlagert
ist. Die verminderte Kapazität kann
immer durch die Verwendung etwas größerer Kondensatorflächen kompensiert
werden, wenn man den Leckstrom durch den Decap um mehr als eine
Größenordnung
verringern soll hat.
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Entstörkondensatoren mit n-Substrat
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Gemäß 1 weist
ein PMOS-Transistorkondensator 10 nach dem Stand der Technik
ein p-Substrat, eine n-Wanne, eine p+-Source S, ein p+-Drain D, eine p+-Polysilizium-Gate-Elektrode
(Poly) G und einen n+-Substratabgriff BT
für ein
Substrat B (Body) auf. Gemäß der Terminologie
der vorliegenden Offenbarung wird der Transistorkondensator 10 ein
p+/p+-Cap auf n-Substrat
(n-Wanne) genannt, wobei das erste p+ die
Poly-Art anzeigt und das zweite p+ die Art
der S/D-Gebiete anzeigt. Es ist zu beachten, daß es im Falle einer Kondensatorstruktur
nicht besonders sinnvoll ist, ein Diffusionsgebiet als Source und
das andere als Drain zu bezeichnen, jedoch wird dies aus Vereinfachungsgründen in
der Terminologie getan. Eine Oberfläche 12 befindet sich
unmittelbar unterhalb des Gate-Oxids.
Ein Kanal Ch befindet sich unter der Oberfläche des Gate-Oxids. In der
vorliegenden Offenbarung wird dieser Bereich auch im Falle einer
MOS-Struktur Kanal genannt, obwohl diese kein Transistor ist. An
den Transistorkondensator 10 werden die Spannungen wie
folgt angelegt: Die Substratspannung Vb liegt
an der Versorgungsspannung Vcc (manchmal
als Vdd bezeichnet), die Source/Drain-Spannungen
Vs und Vd liegen
beide an Vcc und die Gate-Spannung Vg und das p-Substrat liegen beide auf Masse (als
Vss oder 0 bezeichnet). Das Substrat kann
von der Unterseite, von der Oberseite oder von irgendwo sonst auf
Masse gelegt sein. In 1 ist Vg an
Vss angebunden. 2 zeigt
die Auftragung der Kapazität über der
Gate-Substrat-Spannung VGB für n-Substrat-(z.
B. n-Wannen-)Kondensatorstrukturen mit einer Austrittsarbeit von
Null, da das Poly und das Substrat von der gleichen Art sind. Es
ist zu beachten, daß eine Drain-
und Source-Spannung gleich der Substrat-Spannung sein könnte. Die
Auftragung soll nur allgemeine Zusammenhänge und nicht präzise Werte
oder Formen zeigen. Die tatsächliche
Kurve kann etwas anders aussehen. Weiterhin kann sich die Form der
Kurve bei verschiedenen Frequenzen ändern. Es ist zu erkennen, daß die Kapazität bei der
Anreicherung und Inversion größer und
bei Verarmung niedriger ist. Vt ist eine Schwellspannung.
Obwohl im allgemeinen die Grenzen zwischen Anreicherungs-, Verarmungs-
und Inversionsmodus nicht exakt sind, tritt der Anreicherungsmodus
auf, wenn 0 < VGB ist, der Verarmungsmodus tritt auf, wenn –Vt < VGB < 0
ist, und der Inversionsmodus tritt auf, wenn VGB < –Vt ist.
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3 zeigt
die Auftragung einer Kapazität über der
Gate-Substrat-Spannung
VGB für
n-Substrat-Kondensatorstrukturen mit einer nicht-verschwindenden
(ungleich Null) Austrittsarbeit (die Flachbandspannung VFB ist ungleich Null), weil das Poly und
das Substrat von unterschiedlicher Art sind. Die Kurve soll nur
allgemeine Zusammenhänge
und nicht präzise
Werte oder Formen zeigen. Die tatsächliche Kurve kann etwas anders
aussehen. Weiterhin kann sich die Form der Kurve bei unterschiedlichen
Frequenzen ändern.
Es ist ersichtlich, daß die
Kapazität
bei Anreicherung und Inversion höher
und bei Verarmung geringer ist. VFB beträgt für stark
dotiertes Poly etwa 1,0 Volt. Obwohl im allgemeinen die Grenzen
zwischen Anreicherungs-, Verarmungs- und Inversionsmodus nicht exakt
sind, tritt der Anreicherungsmodus auf, wenn VFB < VGB ist,
der Verarmungsmodus tritt auf, wenn –Vt < VGB < VFB ist
und der Inversionsmodus tritt auf, wenn VGB < –Vt ist. Es ist zu beachten, daß die relativen
Abstände
zwischen –Vt und 0 und zwischen 0 und VFB und
zwischen 0 und Vt nicht als Einschränkung für die tatsächlichen
Werte von VFB oder Vt verstanden
werden sollen, die von Ausführungsbeispiel
zu Ausführungsbeispiel
variieren können.
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Man
betrachte den Fall eines Kondensators 10 nach dem Stand
der Technik in 1. Die Kurve in 3 würde zutreffen,
weil dort ein n-Substrat vorhanden ist und das Poly und das Substrat
von unterschiedlicher Art sind, so daß die Austrittsarbeit ungleich
Null ist. Die Flachbandspannung (VFB) dieser
Struktur beträgt etwa
1 Volt. Im Falle von 1 ist VGB = –Vcc, wobei diese negativer als Vt sind. Daher
befindet sich der Transistorkondensator 10 im Inversionsmodus
(genauer gesagt, befindet sich der Kanal in Inversion, weil er Löcher aufweist,
die vom entgegengesetzten Typ des Substrates sind). Dementsprechend
hat er eine sehr große
(vielleicht eine maximale) flächenbezogene
Kapazität,
sehr gutes Frequenzverhalten und geringen Reihenwiderstand. Jedoch
tritt auch Verlust durch das Gate-Oxid auf, insbesondere sind diese
bei dünnen
Gate-Oxiden auch groß (vielleicht
maximal). Vcc sollte bei dieser Decap-Konfiguration
größer als
Vt sein. Es ist zu beachten, daß die Kapazität als Funktion
der Frequenz und des Widerstandes in Reihe mit dem Cap (für den Verschiebungsstrom)
repräsentativ
für den
Q-Faktor des Decaps ist. Es ist zu beachten, daß die Flachbandspannung (VFB) etwa 1 Volt (nicht 0) für den PMOS-Cap
in Inversion beträgt,
wegen des p+-Poly-Gates und des n-Substrats.
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4 zeigt
einen MOS-C 40. Es ist zu beachten, daß der Begriff MOS(Metall-Oxid-Halbleiter)
weit interpretierbar sein soll, wobei das Metall nicht auf irgendeine
besondere Art von Leitung beschränkt
ist (z. B. es muß nicht
Polysilizium sein), ein Isolator muß nicht unbedingt ein Oxid
aufweisen und der Halbleiterteil ist nicht auf eine bestimmte Strukturart
beschränkt.
Der MOS-C 40 wird als n+/n+ auf n-Substrat gemäß der oben beschriebenen Teminologie
bezeichnet (d. h. Poly ist n+, S/D ist n+). Vg ist Vcc und S/D/B liegen auf 0 (Vss).
Die Kurve in 2 trifft zu, da eine n-Wanne
verwendet wird und das Poly und das Substrat von der gleichen Art sind.
VFB des MOS-C 40 liegt auf 0 Volt.
VGB = Vcc, so daß sich der
MOS-C 40 im Anreicherungsmodus befindet (der Kanal ist
mit Elektronen angereichert, was demselben Typ wie das Substrat
entspricht).
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Mit
der Anordnung nach 4 kann es wünschenswert sein, solch ein
Layout (Zeichnen von n-Poly auf n-Wanne) bei Entwurfshilfsmitteln
zu erlauben. MOS-C 40 arbeitet mit allen Vcc-Werten.
Es weist eine hohe (gute) flächenbezogene
Kapazität
bei etwas geringeren Verlusten auf. Es weist ein gutes Frequenzverhalten und
geringen Reihenwiderstand auf.
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5 zeigt
ein MOS-C 50. MOS-C 50 wird als p+/n+ auf n-Substrat
bezeichnet, entsprechend der oben beschriebenen Terminologie. Vg hat den Wert Vcc und
S/D/B liegen auf 0 (Vss). Die Kurve in 3 trifft
zu, weil eine n-Wanne verwendet wird und das Poly und das Substrat
von unterschiedlicher Art sind. VFB von
MOS-C 50 ist ungefähr
1 Volt. VGB = Vcc.
Wenn Vcc > VFB ist, befindet sich MOS-C 50 im
Anreicherungsmodus (der Kanal wird angereichert), und wenn Vcc < VFB ist, dann befindet sich MOS-C 40 im
Verarmungsmodus (der Kanal verarmt). Wenn Vcc =
VFB ist, so befindet sich der Modus zwischen
Anreicherungs- und
Verarmungsmodus. Erfindungsgemäß ist Vcc < VFB, so daß sich MOS-C 50 in
dem Verarmungsmodus befindet und Verluste verringert werden. Diese
Anordnung kann ein spezielles Layout erfordern. MOS-C 50 weist
eine geringere flächenbezogene
Kapazität
auf, jedoch mit viel geringeren Verlusten aufgrund des Verarmungsmodus
(es sind weniger Ladungsträger
vorhanden, die zum Verlust beitragen können). Es weist ein gutes Frequenzverhalten
auf, kann jedoch einen hohen Reihenwiderstand haben. Man beachte,
daß die
Struktur der MOS-Transistorstruktur
mit vergrabenem Kanal ähnelt.
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6 zeigt
einen PMOS-Transistorkondensator 60 (MOS-C 60).
Der Transistorkondensator 60 wird als p+/p+ auf n-Substrat bezeichnet, gemäß der oben
beschriebenen Terminologie. Vg hat den Wert
Vcc und S/D/B liegen auf 0 (Vss)
(im Gegensatz zu 1). Die Kurve aus 3 trifft
zu, weil eine n-Wanne verwendet wird und das Poly und das Substrat
von unterschiedlicher Art sind. VFB des
MOS-C 50 hat ungefähr
den Wert von 1 Volt. VGB = Vcc.
Wenn Vcc > VFB ist, befindet sich MOS-C 60 im
Anreicherungsmodus (der Kanal wird angereichert), und wenn Vcc < VFB ist, befindet sich der MOS-C 60 im
Verarmungsmodus (der Kanal verarmt). Bei der Erfindung ist Vcc < VFB, so daß sich MOS-C 60 im
Verarmungsmodus befindet und die Verluste reduziert werden. MOS-C 60 weist
aufgrund des Verarmungsmodus eine geringere flächenbezogene Kapazität auf, jedoch
mit viel geringeren Verlusten (es gibt weniger Ladungsträger, die
zu den Verlusten beitragen können). Das
Frequenzverhalten und der Reihenwiderstand können jedoch ein Problem darstellen.
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Entstörkondensatoren mit p-Substrat
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Im
folgenden werden Beispiele von Transistoren und MOS-C-Kondensatorstrukturen
mit p-Substraten (p-Wanne oder p-Substrat)
beschrieben. Es ist zu beachten, daß das Substrat (body) nur aus
dem p-Substrat bestehen kann, obwohl p-Wannen dargestellt sind.
Auch kann das Substrat vom n-Typ mit einer p-Wanne sein.
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7 zeigt
die Auftragung einer Kapazität über der
Gate-Substrat-Spannung
VGB für
kapazitive p-Substrat-Strukturen mit einer verschwindenden Austrittsarbeit,
da das Poly und das Substrat von der gleichen Art sind. Die Kurve
soll nur allgemeine Zusammenhänge
darstellen und nicht präzise
Werte oder Formen. Die tatsächliche
Kurve kann etwas anders aussehen. Außerdem kann sich die Form der
Kurve bei verschiedenen Frequenzen ändern. Es ist zu erkennen,
daß die
Kapazität
bei der Anreicherung und Inversion größer und bei der Verarmung kleiner
ist. Auch wenn die Grenzen zwischen Anreicherungs-, Verarmungs-
und Inversionsmodus nicht exakt sein mögen, tritt Anreicherung ein,
wenn VGB < 0
ist, tritt der Verarmungsmodus ein, wenn 0 < VGB < Vt ist,
und tritt der Inversionsmodus ein, wenn VGB > Vt ist.
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8 zeigt
die Auftragung einer Kapazität über der
Gate-Substrat-Spannung
VGB für
p-Substrat-Kondensatorstrukturen mit nicht-verschwindender Austrittsarbeit
(die Flachbandspannung VFB hat nicht den
Wert 0), weil das Poly und das Substrat von unterschiedlicher Art
sind. Die Kurve soll nur allgemeine Zusammenhänge und nicht präzise Werte
oder Formen zeigen. Die tatsächliche
Kurve kann etwas anders aussehen. Außerdem ändert sich die Form der Kurve
bei unterschiedlichen Frequenzen. Es ist zu sehen, daß die Kapazität bei Anreicherung
und Inversion höher
und bei Verarmung niedriger ist. VFB ist
für stark
dotiertes Poly ungefähr 1,0
Volt (allerdings ist es im negativen Bereich der Kurve). Obwohl
die Grenzen zwischen Anreicherungs-, Verarmungs- und Inversionsmodus
nicht exakt sein mögen,
tritt der Anreicherungsmodus ein, wenn VGB < –VFB (z. B. –1 V) ist, der Verarmungsmodus
ein, wenn –VFB < VGB < Vt ist, und der Inversionsmodus ein, wenn
Vt < VGB ist. Es ist zu beachten, daß die relativen
Abstände
zwischen –VFB und 0 und zwischen 0 und Vt nicht
als einschränkend
für die
tatsächlichen
Werte von VFB oder Vt verstanden
werden sollen, die von Ausführungsbeispiel zu
Ausführungsbeispiel
variieren können.
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9 zeigt
einen NMOS-Transistorkondensator 90 gemäß dem Stand der Technik, der
gemäß der oben
beschriebenen Terminologie als n+/n+ auf p-Substrat bezeichnet wird. In diesem
Fall handelt es sich um einen p-Substrat, aber es könnte eine
p-Wanne auf einem n-Substrat oder eine p-Wanne in einem p-Substrat sein. Vg = Vcc, und S/D/B
haben den Wert 0 (Vss). Da das Poly und
das Substrat von unterschiedlichem Typ sind, wird die Kurve aus 8 verwendet.
VGB = Vcc. In Kurve 8 ist
Vcc > Vt, so daß sich
der Transistorkondensator 90 im Inversionsmodus befindet
(der Kanal befindet sich in Inversion). Decap 90 erfordert
keinen Drei-Wannen-Prozeß und
stellt keine besonderen Layout-Anforderungen. Es weist eine sehr
hohe (vielleicht maximale) flächenbezogene
Kapazität,
sehr gute Frequenzeigenschaften und einen geringen Reihenwiderstand
auf.
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Das
wesentliche Problem ist, daß die
Verluste durch das Gate-Oxid,
insbesondere bei dünnen Gate-Oxiden,
ebenfalls groß sind
(vielleicht maximal). Vcc sollte bei dieser
Decap-Konfiguration größer als
Vt sein.
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10 zeigt
einen MOS-C-Kondensator 100 mit einer p+/p+-auf-p-Substrat-Konfiguration
gemäß der obigen
Terminologie. Obwohl eine p-Wanne dargestellt ist, ist sie nicht
notwendig. Vg = 0 (Vss), und S/D/B = Vcc. Weil das Poly und das Substrat vom gleichen
Typ sind, trifft die Kurve aus 7 zu. VGB = Vcc, so daß sich der
Kondensator 100 im Anreicherungsmodus befindet (der Kanal
würde angereichert
werden). Bei einigen Ausführungsbeispielen
weist der Kondensator 100 ein n-Substrat oder einen anderen
Isolator zwischen der p-Wanne und dem p-Substrat auf. Der Zweck ist es, zu verhindern,
daß die
Vcc-Spannung
die Spannung des Substrates oder anderer Teile beeinflußt. Dieser
Dreifach-Wannen-Prozeß kann
zusätzliches
Layout in den Design-Werkzeugen erforderlich machen (Zeichnen von
p-Poly auf p-Wanne). Decap 100 arbeitet mit allen Vcc-Werten.
Es weist eine hohe (gute) flächenbezogene
Kapazität
bei etwas geringeren Verlusten auf. Es hat ein gutes Frequenzverhalten
und einen geringen Reihenwiderstand.
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11 zeigt
einen MOS-C-Kondensator 110 mit einer n+/p+-auf-p-Substrat-Konfiguration
gemäß der oben
beschriebenen Terminologie. Obwohl eine p-Wanne dargestellt ist,
ist sie nicht nötig.
Vg = 0 (Vss), und S/D/B
= Vcc. Da das Poly und das Substrat von
unterschiedlichem Typ sind, trifft die Kurve aus 8 zu.
VGB = –Vcc. Wenn Vcc < VFB (–Vcc > –VFB) ist, würde sich der Kondensator 110 im
Verarmungsmodus befinden (der Kanal würde verarmen). Zur Verminderung
von Verlusten wird bei einigen Ausführungsbeispielen der Verarmungsmodus
verwendet. Bei einigen Ausführungsbeispielen
weist der Kondensator 110 einen n-Substrat oder einen anderen
Isolator zwischen der p-Wanne
und dem p-Substrat auf. Der Kondensator 110 hat eine geringere
flächenbezogene
Kapazität
bei wesentlich geringeren Verlusten. Er weist ein gutes Frequenzverhalten auf,
jedoch einen großen
Reihenwiderstand.
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12 zeigt
einen NMOS-Transistor 120 mit einer n+/n+-auf-p-Substrat-Konfiguration
gemäß der oben beschriebenen
Terminologie. Obwohl eine p-Wanne dargestellt ist, ist diese nicht
nötig.
Vg = 0 (Vss), und
S/D/B = Vcc. Weil das Poly und das Substrat
von unterschiedlichem Typ sind, trifft die Kurve aus 8 zu.
VGB = –Vcc. Wenn Vcc > VFB (–Vcc < –VFB) würde
sich der Kondensator 120 im Anreicherungsmodus befinden
(der Kanal würde
angereichert werden). Wenn Vcc < VFB (–Vcc > –VFB) würde
sich der Kondensator 120 im Verarmungsmodus befinden (der
Kanal würde
verarmen). Zur Verminderung von Verlusten wird bei einigen Ausführungsbeispielen
der Verarmungsmodus genutzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der
Kondensator 120 ein n-Substrat
oder einen anderen Isolator zwischen der p-Wanne und dem p-Substrat
auf. Die Verluste sind bei dieser Anordnung gut (geringer). Das
Frequenzverhalten und der Reihenwiderstand können jedoch ein Problem sein.
Diese Anordnung kann einen Drei-Wannen-Prozeß erfordern.
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Ein
beigefügter
Anhang stellt eine vergleichende, zusammenfassende Tabelle für die oben
dargestellten Kondensatoren zur Verfügung.
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Weitere Informationen und
Ausführungsbeispiele
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13 zeigt
einen Chip 130, der Kondensatoren (z. B. Kondensator 134)
einer oder mehrerer der hier beschriebenen Anordnungen aufweist.
Der Chip 130 kann jede Art von elektrischer Einrichtung
sein, einschließlich
Mikroprozessoren, DSP (digitaler Signal-Prozessor), integrierte
Steuerungseinheiten, ASIC (anwendungs-spezifische integrierte Schaltung)
und Kommunikationschips.
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Erfindungsgemäß ist es,
wie oben beschrieben, wünschenswert,
einen Kondensator im Verarmungsmodus zu verwenden. Es wäre möglich, die
Kapazität
durch die Einstellung der Gate-Spannung, Substrat-Spannung, Source/Drain-Spannung,
Schwellspannung und/oder Dotierungsstärke zu optimieren.
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Lediglich
als Beispiel sei angenommen, daß bei
einigen Ausführungsbeispielen
die effektive Kapazität um
ungefähr
25% verringert werden kann, während
die Verluste bei einer Versorgungsspannung von etwa 1 Volt ungefähr um einen
Faktor 100 verringert werden. Die Verringerung der Kapazität ist in
den C-V-Kurven zu beobachten, wenn der Kondensator in einem Verarmungsmodus
vorgespannt wird. Die Verringerung der Verluste ist Folge der Tatsache,
daß weniger
Ladungsträger
in dem verarmten Kanal unter dem Gate-Oxid vorhanden sind, die durch
das dünne
Gate-Oxid tunneln können.
Der Q-Faktor eines solchen Kondensators wird ähnlich dem eines MOS-Transistor-Caps in Inversion
sein, insbesondere da man sich nicht auf die Erzeugung von Minoritätsladungsträgern und
die Rekombination verläßt, um die
Ladungsträger
zur Verfügung
zu stellen, die benötigt
werden, um auf das Wechselspannungssignal zu reagieren, das auf
dem Decap überlagert
ist. Man kann die verringerte Kapazität durch die Verwendung etwas
größerer Kondensatorflächen kompensieren, wenn
man die Verluste durch den Decap um mehr als eine Größenordnung
verringern soll. Die Erfindung unterstützt entsprechend zusätzliche
Versorgungsspannungsskalierung und die Entwicklung von Prozeßtechnologien
für niedrige
Spannungen, Hochleistungs- und Niederleistungs-CMOS-Schaltungen.
Mit dem vorgeschlagenen Aufbau kann man in der Zukunft weiterhin
Decaps zur Rausch-Entstörung in
unseren IC's verwenden,
auch wenn wir die Gate-Oxid-Dicke
an die schneller skalierten Transistoren anpassen müssen.
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Die
Erfindung kann in Verbindung mit SOI(Silizium auf Isolator)-Anordnungen
verwendet werden.
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Es
ist ferner bekannt, daß die
Versorgungs- und Massespannung nicht unbedingt konstant sind, sondern
aufgrund von Rauschen, Belastung oder anderen Ursachen Schwankungen
aufweisen.
E
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Anhang:
Zusammenfassende Vergleichstabelle, die einige Möglichkeiten auflistet. Diese
wird nicht als vollständig
angesehen. Weitere Möglichkeiten
bestehen. Einige der Informationen sind lediglich Schätzungen.
Typ | Vcc | Modus | Cap | Leckstrom | Hi
freq | Rs | |
| | | | | | | Anwendung |
DeCap
auf n-Wanne | | | | | | | |
p+/p+
(Stand
der Technik)
(FIG. 1) | > Vt | inv. | max. | max. | gut | gering | |
n+/n+
(FIG. 4) | Jede | anr. | ~max. | etwas
geringer | gut | gering | kein LO |
p+/p+
(FIG. 6) | < 1 V | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | Kein LO |
p+/p+ | > 1 V | anr. | ~max. | etwas
geringer | OK | hoch | Kein LO |
p+/n+
(FIG. 5) | < 1 V | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | LO |
p+/n+ | > 1 V | anr. | ~max. | etwas
geringer | gut | gering | LO |
n+/p+ | > 1 V + Vt | inv. | max. | max. | gut | gering | LO. Vcc? |
n+/p+ | < 1 V + Vt | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | LO. Vcc? |
DeCap
auf p-Wanne | | | | | | | |
n+/n+
Stand der
Technik
(FIG. 9) | > Vt | inv. | max. | max. | gut | gering | |
p+/p+
(FIG. 10) | Jede | anr. | ~max | etwas
geringer | gut | gering | Kein LO |
n+/n+
(FIG. 12) | < 1 V | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | Kein LO, TW |
n+/n+ | > 1 V | anr. | ~max | etwas
geringer | OK | hoch | Kein LO, TW |
n+/p+
(FIG. 11) | < 1 V | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | LO, TW |
n+/p+ | > 1 V | am. | ~max | etwas
geringer | gut | gering | LO, TW |
p+/n+ | > 1 V + Vt | inv. | max. | max. | gut | gering | LO. Vcc? |
p+/n++ | < 1 V + Vt | ver. | geringer | geringer | OK | hoch | LO. Vcc? |
-
Legende:
-
- p+/p+ auf
n-Wanne bezeichnet einen Kondensator mit p+-Poly-
und p+-S/D-Gebieten auf n-Wanne
- Kein LO = Kein über
das herkömmliche
Design hinausgehender Layout- oder Hilfsmittelwechsel
- LO = Kann über
das herkömmliche
Design hinausgehende Änderungen
am Layout erfordern
- VFB = ~1 Volt, wird für die Vcc-Spalte verwendet
- TW = Kann zur Isolation des Kondensator-Substrat eine Dreifach-Wanne
erfordern