МОПТ для аналоговых применений

По мере уменьшения геометрических размеров транзисторов, их характеристики, особенно важные для аналоговых применений, существенно ухудшаются. К ним относятся дифференциальное сопротивление стока, крутизна, скорость старения из-за горячих электронов, технологический разброс характеристик, отношение сигнала к шуму и динамический диапазон.

Ослабление короткоканальных эффектов для цифровых схем при малом напряжении питания можно выполнить достаточно просто - путём увеличения дозы легирования подложки, что уменьшает расширение области обеднения стока в сторону канала. Однако для аналоговых схем увеличение легирования приводит к росту порогового напряжения и уменьшает подвижность носителей в канале, что снижает нагрузочную способность транзистора.

Основную проблему конструирования транзисторов для аналоговых применений представляет деградация параметров, вызванная горячими электронами. В изготовленных аналоговых устройствах она проявляется в виде долговременной нестабильности параметров (старения), которая является очень важным параметром, особенно для измерительных цепей.

Одним из методов уменьшения влияния горячих электронов является технология LATID (ионная имплантация под большим углом наклона ионного пучка), позволяющая уменьшить напряжённость электрического поля в канале возле стока. При этом снижается как скорость генерации горячих носителей, так и вероятность образования ими поверхностных состояний в окисле. Усиление и сопротивление стока уменьшаются в несколько раз по сравнению с обычными LDD-структурами. Для изучения деградации параметров при использовании различных технологий была использована дифференциальная пара транзисторов. На сток одного из них подавалось повышенное напряжение (7 В), чтобы увеличить долю горячих электронов, на сток второго подавалось обычное рабочее напряжение. Сдвиг нуля дифференциальной пары периодически измерялся, и его величина характеризовала степень заряженности окисла горячими электронами. Оказалось, что LATID-технология позволяет почти в 10 раз уменьшить временную нестабильность напряжения смещения нуля дифференциальной пары, вызванную горячими электронами.

Требование малого разброса параметров транзисторов на кристалле является второй особенностью аналоговых схем. Основным критерием оценки разброса параметров является также напряжение смещения нуля дифференциальной пары. Для снижения разброса параметров используют транзисторы с размерами, в 3 и более раз превышающими минимально возможные для используемой технологии. Уменьшенный разброс параметров обеспечивает также крутое ретроградное распределение примеси, по сравнению с ореолом или имплантацией в кармашки.

Крутое ретроградное распределение примеси (Super Steep Retrograde Well, SSRW) (рис. 4.32) создаётся путём медленной диффузии мышьяка или сурьмы для р - канальных приборов и индия для n-канальных. Благодаря возможности устанавливать поверхностную концентрацию легирующей примеси независимо от объёмной, появляется дополнительная степень свободы для независимой регулировки порогового напряжения и концентрации примеси в подложке, влияющей на величину области пространственного заряда и, соответственно, короткоканальные эффекты. Правильное применение идеи SSRW позволяет ослабить влияние короткоканальных эффектов и увеличить поверхностную подвижность носителей, однако при этом несколько увеличивается подпороговый ток.

Рисунок 4.32 – Крутое ретроградное распределение примеси

Следующей проблемой является обеспечение малого порогового напряжения, которое, наряду с напряжением питания, ограничивает динамический диапазон аналоговой схемы. Это требование вступает в противоречие с противоположным требованием со стороны цифровых схем, для которых пороговое напряжение определяет запас помехоустойчивости и подпороговый ток, а следовательно, потребляемую мощность в режиме покоя. Для аналоговых схем подпороговый ток не влияет на энергопотребление, так как ток покоя в них обычно задаётся генераторами тока. Кардинальным решением этой проблемы является усложнение техпроцесса, которое позволяет делать МОПТ с разными пороговыми напряжениями на одном кристалле. Этого можно добиться или добавлением к стандартному процессу двух технологических операций для «аналоговых» транзисторов: селективное травление окислов и последующая эпитаксиальное наращивание нелегированного кремния или применение двух материалов затвора с разными работами выхода для разных транзисторов, например, поли-SiGe и поли-Si.

В связи с низкой себестоимостью технологии цифровых СБИС и наличием хорошо отработанной инфраструктуры автоматизированного проектирования и производства, обеспечивающей быстрый выход изделий на рынок, представляет особый интерес применение технологий цифровых СБИС для разработки и производства аналоговых схем. Однако такое применение наталкивается на ряд проблем: количество доступных активных и пассивных элементов довольно ограничено, технология оптимизирована только по двум критериям: быстродействие и потребляемая мощность, активные элементы контролируются только на основе простых тестов, таких как задержка вентиля и нагрузочная способность. Тем не менее, этот подход считается перспективным, и предпринимаются шаги по его развитию.