JP2919365B2 - Mosトランジスタの容量設計方法 - Google Patents

Mosトランジスタの容量設計方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMOSトランジスタ
からなるコンデンサの容量設計方法に関し、特にそのコ
ンデンサ構造の最適化設計方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、MOSトランジスタを用いてコン
デンサを設計する場合には、そのチャネル長およびチャ
ネル幅の分割数をどのように設定するかが問題となる。
これを、1つのトランジスタの構造により説明する。図
5、図6は従来例のMOSトランジスタからなるコンデ
ンサの平面図およびそのb―b’間およびc―c’間の
断面図を示し、チャネル長Lが長い場合を図5に、チャ
ネル長Lが最小の場合を図6に示す。
【0003】図5のコンデンサのチャネル長Lが長い場
合、コンタクト1Aはトランジスタのソースまたはドレ
インの拡散層3Aと配線6Aとのコンタクトであり、コ
ンタクト1Bはトランジスタのソースまたはドレインの
拡散層3Bと配線6Aとのコンタクトである。これらソ
ースまたはドレインがそれぞれの拡散層3A,3Bと配
線6Aのコンタクト1A,1Bを介して配線6Aで短絡
されている。コンタクト4Aはトランジスタのゲート電
極2Aと配線5Aとのコンタクトであり、基板のチャネ
ル部10〜12はゲート2Aがトランジスタの閾値を超
えた時チャネルとなる部分の中央部、端部を示してい
る。
【0004】図6のコンデンサのチャネル長Lが最小単
位である場合、コンタクト1Aはトランジスタのソース
またはドレインの拡散層3Aと配線6Bとのコンタクト
であり、コンタクト1Bはトランジスタのソースまたは
ドレインの拡散層3Bと配線6Aとのコンタクトであ
り、同様にコンタクト1C〜1Jはトランジスタのソー
スまたはドレインの拡散層3C〜3Jと配線6Aとのコ
ンタクトである。トランジスタのソースまたはドレイン
が、それぞれの拡散層3A〜3Jと配線6Aのコンタク
ト1A〜1Jを介して配線6Aで短絡しており、コンタ
クト4Bはトランジスタのゲート2A〜2Hと配線5B
とのコンタクトである。
【0005】図7は、図5のコンデンサをn等分に分割
した場合の等価回路図である。端子22はゲート端子
で、図5の配線5Aに相当し、端子21はソース,ドレ
インを短絡した配線6Aに相当する。コンデンサC1〜
C3はチャネルをチャネル幅方向にn分割した時(チャ
ネル長もn分割となる)の1番目、2番目、3番目のゲ
ートとチャネルとの容量、コンデンサCn/2,Cn/2+1 C
n/2+2 はn/2 番目、n/2+1番目、n/2 +2番目のゲートと
チャネルとの容量、コンデンサCn-1,Cn,Cn+1は n-1
番目、n 番目、n +1番目のゲートとチャネルとの容量で
あり、コンデンサC1 〜Cn+1 の容量値はそれぞれC/
(n+1)となる。
【0006】図8は、コンデンサの充放電動作を高速に
行った場合の電圧レベルを示す模式図である。図8
(a)から図8(c)は時間経過に伴なう内部電位の推
移を表わし、グラフの縦軸はチャネルの各節点の電位
を、その横軸は図5の断面a―a’上の拡散層端部10
からの距離を表している。
【0007】いま、図5(図7)において、電位の初期
値はゲート2Aの電圧の拡散層3A,3Bの電圧、配線
5A,6Aの電圧はそれぞれ0Vとする。ここで図8
(a)に示すようにトランジスタのゲート2A(5A)
を電源電圧VCCにプリチャージした時、このトランジス
タのゲート電圧が、このトランジスタの閾値を越えるま
での、トランジスタのチャネル中央部11はフローティ
ングとなり、ートとチャネルとのカップリングでチャ
ネル中央部11が浮いてしまう。
【0008】次に、図8(b)に示すように、トランジ
スタのゲート電圧が、トランジスタの閾値を越えてから
浮いたチャネル中央部11の電荷はゲートチャネル1
0,12、拡散層3A,3Bを介して接地レベルに引か
れる。但し、接地レベルにまで落着く時間は、チャネル
中央部から拡散層までチャルの時定数の2.2倍とな
る。
【0009】また図9は、図8のコンデンサの充放電動
作を高速に行った場合のタイミング図である。このコン
デンサの充放電を高速に動作させるMOSトランジスタ
の昇圧回路において、図8(c)に示すように、トラン
ジスタのチャネル中央部11の浮きが接地レベルに落着
く前に昇圧動作である拡散層3A,3Bの電位上昇が始
まり、図9中のチャネルの電圧変動量ΔVが減少し、そ
の電圧変動量ΔVがΔV’に減少してしまい、昇圧後の
ゲート電圧が期待した電位にまで上らなくなってしま
う。
【0010】そこでトランジスタのゲートのプリチャー
ジ開始から拡散層の電位上昇動作開始までの時間以内
に、チャネル中央部11の浮きが接地レベルにまで落着
くようにするには、トランジスタのチャネル長Lを最小
単位とすればよい。しかし、チャネル長Lを最小単位と
すると、その分割数が増加し、容量を構成する面積が増
加する
【0011】一般に、コンデンサ領域に任意の容量値の
コンデンサを設ける場合、このコンデンサ領域の分割を
行なうが、コンデンサの拡散層領域はチャネル幅の分割
数に1を加算した数になる。従って、ゲートの分割数が
増え、拡散層領域の個数も増え、コンデンサ領域が必要
以上に大きくなってしまう。
【0012】また、その容量値を必要以上に大きくとる
ことにより、昇圧後のゲート電圧を期待した電位になる
ようにすることが出来るが、コンデンサ領域の不必要な
増大、さらにはコンデンサ領域の確保のための設計工数
も増大してしまう。従って、従来の設計方法では前述し
た対策を行うことなく、トランジスタのチャネル長を設
定したり、容量値を必要以上に増やしたりしているが、
コンデンサのチャネル中央部11の電位の浮きは避けら
れなかった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
昇圧回路などに用いるトランジスタからなるコンデンサ
は、このコンデンサのゲートを充電してからソースまた
はドレインの拡散層の電位を上昇させることによりゲー
トの電位を上昇させているが、拡散層の電圧上昇後のゲ
ートの昇圧レベルが、昇圧回路の期待した昇圧電位より
低くなってしまい、昇圧効率が悪くなってしまう。
【0014】これは、トランジスタのゲートを電源電圧
VCCにプリチャージした時、そのゲート電圧がトランジ
スタの閾値を越えるまで、チャネル中央部11がフロー
ティングなり、ゲートとチャネルのカップリングでチャ
ネル中央部が浮き、トランジスタのゲート電圧がその閾
値を越えてから浮いたチャネル中央部の電荷は、ゲート
チャネル、拡散層を介して接地レベルに引かれる。しか
し、コンデンサの充放電動作を高速に行う昇圧回路で
は、トランジスタのゲートを電源電圧VCCにプリチャー
ジを開始してから、ソースまたはドレインの拡散層の電
位上昇を開始するまでの時間が、チャネル中央部の電位
の浮きが接地レベルに落着くまでの時間より短かいため
に、図9のようにチャネルの電圧変動量ΔVが減少して
しまい、十分な電荷量をトランジスタのゲートに伝える
ことが出来なくなり、昇圧後のゲート電圧が期待した電
位にまで上らなくなってしまい、電圧変動量ΔVがΔ
V’に減少してしまう。
【0015】また、コンデンサの充放電が高速に動作す
る昇圧回路で、コンデンサのチャネル長Lを最小単位で
つくると、コンデンサ領域が不必要に大きくなってしま
い、さらにその設計工数も増大してしまう。これは、ト
ランジスタのゲートのプリチャージ開始から拡散層の電
位上昇の動作開始までの時間以内に、チャネル中央部の
電位の浮きが接地レベルにまで落着くようにするため
に、トランジスタのチャネル長を必要以上に短かくして
しまい、その結果設定したコンデンサの容量値を実現す
るためにニャネル幅を大きくとることになる。このコン
デンサをつくるチャネル幅方向の領域は限られているの
で、コンデンサ領域に入るようにチャネル幅を分割して
コンデンサを作成することになる。コンデンサの拡散領
域はチャネル幅の分割数に1を加算した数だけ必要にな
り、コンデンサ領域を増大させてしまう。または昇圧効
率のの悪い分だけ容量値を必要以上に大きくとり、コン
デンサ領域の不必要な増大を招き、そのコンデンサ領域
の確保のために設計工数も増大することになる。
【0016】本発明の目的は、これらの問題を解決し、
コンデンサの構造(チャネル長L、チャネル幅Wおよび
その分割数n)を最適化設計できるMOSトランジスタ
の容量設計方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明の構成は、MOS
トランジスタの拡散層上のゲートチャネル領域を境界と
したドレイン領域とソース領域とを短絡させ、ゲート電
極と前記ゲートチャネル領域とが重り合う部分で、容量
値C,チャネル長L,チャネル幅Wの容量を形成し、前
記ゲート電極と前記ゲートチャネル領域とが重り合う部
分の単位面積当りの容量をK1 、前記ゲートチャネル領
域の抵抗率をK2 とし、この容量を充放電を高速に行う
回路に適用する場合のMOSトランジスタの容量設計方
法において、前記ゲートチャネル中央部から前記ドレイ
ン領域またはソース領域まて電位が伝達する時間t1
が、前記ゲート電極に接地電位から電源電位の印加を開
始する立上り時間から前記ゲート電極に対向する拡散層
領域の電位が接地電位から電源電位昇圧する立上り時
間までの時間t2 とを実質的に同じになるように前記M
OSトランジスタのチャネル長Lを設定することを特徴
とする。
【0018】本発明において、チャネル長Lが設定され
た時、必要な容量Cを形成するチャネル幅Wを、 W=
C/K1・L の式により求めることができる。
【0019】また本発明において、MOSトランジスタ
のゲートチャネルの抵抗値Rとすると t1 =0.55C
R,C=K1・LW,R=K2・L/W の関係がそれぞれ
あり、t1 = 0.55K1・K2・L2 の関係が得られ、t
1 =t2 としてL={t2 /(0.55・K1・K2)}1/2
、このLからW=C/K1・L、コンデンサ領
域から物理的に一番大きくとれるチャネル幅を最大値W
maxとして求め、前記容量の分割比DIV とした時、DI
V =W/Wmax の小数点以下を切上げた数により
前記容量の分割数を求めることができる。
【0020】本発明において、コンデンサの充放電を高
速動作させる昇圧回路は、この高速動作により、トラン
ジスタのチャネルゲート中央部がゲートとチャネルとの
カップリングで浮いてしまうが、昇圧動作となる拡散層
の電位上昇が始まるまでの時間t2 に、チャネルゲート
中央部の浮きが接地レベルに落着けばこの問題がなくな
る。このチャネルゲート中央部の浮きが接地レベルに落
着くまでの時間は、チャネルゲート中央部の電荷が拡散
層に伝わるまでの時間t1 であるとする。このチャネル
ゲート中央部の電荷が拡散層に伝わるまでの時間t1 は
トランジスタのチャネル長Lで決まる。このことからゲ
ートにプリチャージを開始してから昇圧動作となる拡散
層の電位上昇が始まるまての時間t2 と、チャネルゲー
ト中央部の浮きが接地レベルに落着くまでの時間t1 が
同じになるようにチャネル長Lを決定すればよいことに
なる。
【0021】本発明の構成によれば、コンデンサを構成
するトランジスタのゲートの充電開始からソースたはド
レインの拡散層の電位上昇が開始されるまでの時間内
に、チャネル中央部の浮きが接地レベルにまで落着くよ
うに、チャネル長を決定することにより、チャネルの電
圧変動量ΔVが減少することなく、充分な電荷量をゲー
トに伝えることができ、ゲート電圧の昇圧レベルを充分
に上げることができる。また、決定したチャネル長から
必要な容量値となるチャネル幅が決定されるが、このチ
ャネル幅はマスク設計上、その上限が定められるので、
このマスク設計基準を満たすチャネル幅となるようゲー
ト分割を行えば、そのゲート分割数が必要最低限とな
り、また拡散層領域の数はゲート分割数に1加算した数
となり、このゲート分割数を必要最低限としたことによ
り、そのコンデンサ領域も必要最低限とすることができ
る。
【0022】
【発明の実施の形態】以下本発明について図面を参照し
て説明する。図1は本発明の一実施の形態を説明するト
ランジスタからなるコンデンサの平面図およびその断面
図、図2は本実施形態を説明するフロー図である。この
トランジスタからなるコンデンサは、コンタクト1A〜
1Eがこのトランジスタのソースまたばドレインの拡散
層と配線とのコンタクトであり、これらソースまたばド
レインがそれぞれの拡散層3A〜3Eと配線のコンタク
ト1A〜1Eを介して配線6で短絡し、コンタクト4は
トランジスタのゲート2A〜2Dと配線5とのコンタク
トである。
【0023】このトランジスタの回路は、図7のコンデ
ンサをn等分した等価回路図と同等である。この場合
も、チャネル長が長い場合に、高速な昇圧動作は、図
8、図9と同様になるが、本実施形態の最適化設計方法
で設計したチャネル長をもつコンデンサの高速な昇圧動
作は、図3の模式的電圧レベル図および図4のそのタイ
ミング図により説明される。
【0024】図1の構造によるコンデンサを設計する場
合、まず図2のステップS1のよううにする。すなわ
ち、このコンデンサの用途となる昇圧回路等の節点の寄
生容量と所望の昇圧レベルからその容量値Cを設定し、
また昇圧時間t2 ,すなわちコンデンサのゲート電極を
接地電位から電源電圧レベルに上昇を開始する立上り時
からソースまたばドレイン領域の拡散層電位を接地電
位から電源電圧レベルに昇圧する立上り時間を設定す
る。一方、半導体装置をつくる材料の設計基準からコン
デンサの単位面積当りの容量値K1 、ゲートチャネルの
抵抗率K2 が求められる。
【0025】一般に、RC回路における過渡現象で、信
号の立上りおよび立下り時間Tは T= 2.2RC ……………(1) と表わされる。いまトランジスタのゲートへのプリチャ
ージ開始から、このトランジスタのチャネル中央部の浮
きが接地レベルに落着くまでの時間をt1 、昇圧回路等
のトランジスタでつくるコンデンサの必要な容量値を
C、トランジスタのソースからドレインまでのチャネル
抵抗をRとすると、(1)式とトランジスタをゲート方
向にn分割した図7の等価回路から t1 = 2.2× (n/2) ×( R/n)×{( n+1)/2}×C/(n+1) t1 =0.55・C・R ………………(2) の近似式が導かれる(この段階がステップS2に相当す
る)。
【0026】ここでチャネル幅をW、チャネル長をL、
ゲート・チャネル間の単位面積当りの容量値をK1 、と
すると、コンデンサの容量値Cは、 C=K1 ・L・W ………………(3) として求められる(ステップS3)。またトランジスタ
のチャネルの抵抗率をK2 とすると、チャネルの抵抗R
は R=K2 ・L/W ………………(4) として求められ(ステップS4)、これら(3)(4)
式を(2)式に代入すると(5)式が求められ(ステッ
プS5)、これをLの式に変換すると(6)式が得られ
る。 次にトランジスタのゲートへのプリチャージ開始からチ
ャネル中央部の浮きが接地レベルに落着くまでの時間t
1 とコンデンサのゲートにプリチャージ開始してからソ
ースまたはドレインの拡散層の昇圧動作を開始するまで
の時間t2 を同じにすることにより、チャネル中央部の
浮きが接地レベルに落着いてからソースまたはドレイン
の拡散層の昇圧動作が開始されることになる。従って、 L={t2 /(0.55・K1・K2)}1/2 ……………(7) が求められ(ステップS6)、このLがチャネル長の最
適値となる。このLから(3)式によりコンデンサのチ
ャネル幅Wが次の(8)式から求められる(ステップS
7)。 W=C/K1・L ………………(8) ここで半導体装置の設計基準、または与えられたコンデ
ンサ領域からチャネル幅方向に一番大きくとれるチャネ
ル幅の最大値Wmaxが決定される(ステップS8)。
コンデンサをコンデンサ領域内に納めるためには、コン
デンサのチャネル幅を分割する必要があり、そのための
コンデンサの分割数は、次の(9)式のDIVの値で求め
られ、 DIV =W/Wmax ……………(9) の小数点以下を切上げた数とすればよいことになる(ス
テップS9)。
【0027】
【0028】
【実施例】ここで本発明の実施例について説明する。例
えば、昇圧回路等のコンデンサの必要な容量値C,トラ
ンジスタのゲートにプリチャージを開始してからソース
またはドレインの拡散層の昇圧動作を開始するまでの時
間t2 、ゲート・チャネル間の単位面積当りの容量値K
1 、トランジスタのチャネルの抵抗率K2 を以下のよう
に設定する。
【0029】C=3pF,t2 =2ns,K1 =190
×10-5pF/μm2 ,K2 =20KΩ/□ とすると
(3)式から C=190×10-5×L×W,また
(4)式から R=20000×L/W これらを
(2)式に代入して t1 =0.55×190×10-5×20000×L2 =20.9×L2 これをLに関する式に変換すると、L=(t1 /20.9)
1/2 となり、またt1 =t2 であるから L={(2・10-9)/20.9)1/2 =9.78×10-6 となり、チャネル長の最適値Lは9.78μmとなる。
【0030】また(8)式よりチャネル幅Wを求めると W=(3・10-12 )/190・10-5×9.78・10-6=16
1.45×10-6 となり、チャネル幅Wの最適値は161.45μmとな
る。さらにコンデンサ領域からWmaxを45μmとす
ると、コンデンサ分割数の DIVは(9)式から DIV =161.45/45=3.58 となるので、コンデンサの分割数は4と求められる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ト
ランジスタのゲートへのプリチャージ開始からチャネル
中央部の浮きが接地レベルに落着くまての時間t1 とコ
ンデンサのゲートにプリチャージを開始してからソース
またはドレインの拡散層が昇圧動作を開始するまでの時
間t2 を同じにすることにより、チャネル中央部の浮き
が接地レベルに落着いてからソースまたはドレインの拡
散層の昇圧動作が開始されるので、図8,9に示される
ような損失分が無くなり、昇圧動作としての拡散層の電
位上昇がチャネル全域で効果的に行われ、ゲート電圧を
十分に昇圧させることができる。
【0032】また半導体装置の設計基準、または与えら
れるコンデンサ領域からチャネル幅方向に一番大きくと
れるチャネル幅の最大値Wmaxが決定され、コンデン
サをコンデンサ領域に納めるようにするコンデンサ分割
は、コンデンサ容量値をコンデンサの単位面積当りの容
量値と求めたコンデンサのチャネル長Lの積で除算して
求めたチャネル幅Wを、チャネル幅の最大値Wmaxで
除算した値DIV の小数点以下を切上げた数とするので、
ゲート分割数が必要最低限となる。またコンデンサの拡
散層領域はチャネル幅の分割数に1を加算した数だけ必
要であるから、その分割数が必要最低限にすれば、拡散
層領域の数も必要最低限となり、コンデンサ領域を必要
最低限に抑えることができ、さらにその昇圧効率が悪い
分だけ容量値を必要以上に大きくする必要がないので、
コンデンサ領域の不必要な増大を防ぐことが出来、従っ
てコンデンサ領域の不必要な増大を防ぐことができ、さ
らにこのコンデンサ領域の確保のための設計工数が増大
することもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明する半導体装
置の平面図およびその断面図である。
【図2】本実施形態を説明するフロー図である。
【図3】本実施形態の動作説明をする各部の電圧特性図
である。
【図4】本実施形態の動作説明をする各部の動作タイミ
ング図である。
【図5】従来例のチャネル長が長すぎる場合の半導体装
置の平面図およびその断面図である。
【図6】従来例のチャネル長が短かすぎる場合の半導体
装置の平面図およびその断面図である。
【図7】図5の等価回路図である。
【図8】図5のチャネル長が長すぎる場合の半導体装置
の高速動作における模式的電圧レベル図である。
【図9】図6のチャネル長が長すぎるる場合の半導体装
置の高速動作における模式的タイミング図である。
【符号の説明】
1,1A〜1J コンタクト 2A〜2H ゲート 3A〜3J 拡散層 4,4A,4B 配線コンタクト 5,5A, 配線 6,6A,6B コンタクト配線 10,12 チャネル端部 11 チャネル中央部 21,22 端子

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MOSトランジスタの拡散層上のゲート
    チャネル領域を境界としたドレイン領域とソース領域と
    を短絡させ、ゲート電極と前記ゲートチャネル領域とが
    重り合う部分で、容量値C,チャネル長L,チャネル幅
    Wの容量を形成し、前記ゲート電極と前記ゲートチャネ
    ル領域とが重り合う部分の単位面積当りの容量をK1 、
    前記ゲートチャネル領域の抵抗率をK2 とし、この容量
    を充放電を高速に行う回路に適用する場合のMOSトラ
    ンジスタの容量設計方法において、前記ゲートチャネル
    中央部から前記ドレイン領域またはソース領域まて電位
    が伝達する時間t1 が、前記ゲート電極に接地電位から
    電源電位の印加を開始する立上り時間から前記ゲート電
    極に対向する拡散層領域の電位が接地電位から電源電位
    昇圧する立上り時間までの時間t2 を実質的に同じに
    なるように前記MOSトランジスタのチャネル長Lを
    定することを特徴とするMOSトランジスタの容量設計
    方法。
  2. 【請求項2】 チャネル長Lが設定された時、必要な容
    量Cを形成するチャネル幅Wを、W=C/K1・L の式
    により求める請求項1記載のMOSトランジスタの容量
    設計方法。
  3. 【請求項3】 コンデンサ領域から物理的に一番大きく
    とれるチャネル幅の最大値Wmaxとして求め、前記容
    量の分割比DIV とした時、 DIV=W/Wmax の小数点以下を切上げた数によ
    り容量の分割数を求める請求項2記載のMOSトラン
    ジスタの容量設計方法。
  4. 【請求項4】 MOSトランジスタのゲートチャネルの
    抵抗値Rとするとt1 =0.55CR,C=K1・LW,R=
    K2・L/W の関係がそれぞれあり、 t1 =0.55K1・K2・L2 の関係が得られ、t1 =t2
    してL={t2 /(0.55・K1・K2 )}1/2 、こ
    のLからW=C/K1 ・L、コンデンサ領域から
    物理的に一番大きくとれるチャネル幅の最大値Wmax
    を求め、前記容量の分割比DIV とした時、 DIV=W/W
    max の小数点以下を切上げた数を前記容量の分割
    として求める工程を有する請求項1記載のMOSト
    ランジスタの容量設計方法。
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