I GIDL = ⋅ ⋅
5.4 GIDL 電 流 モデルの回 路 検 証
第５章 GIDL 電流モデリング技術
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-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Vg (V)
Error_Index
-1.5
-1 -0.5 0 0.5 1 1.5
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Vg (V)
Error_Index
( a ) 素 子 F ( b ) 素 子 G
図 5 . 8 ： P M O S の パ ラ メ ー タ 抽 出 結 果 の 誤 差 指 数 . ( 横 軸 ： ゲ ー ト 電 圧 ， 縦 軸 ： G I D L 電 流 の 誤 差 指 数 . )
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G I D L 電 流 の 有 無 に よ り ， 計 算 し た 過 渡 解 析 結 果 を 図 ５ ． １ ０ に 示 す ． 出 力 波 形 の 明 確 な 違 い は G I D L 電 流 の 影 響 で あ る ． 理 由 は 蓄 積 領 域 で の ゲ ー ト 負 電 圧 が 大 き く な る 程 G I D L 電 流 も 大 き く な る こ と に あ る ． G I D L 電 流 が 正 確 に 計 算 で き な け れ ば ， こ の よ う な 回 路 上 の 重 篤 な 問 題 は 観 測 さ れ な い ．
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 2.5E-03 3.0E-03 3.5E-03
time (sec)
V(in), V(out) (V)
v(in)
v(out_without gidl) v(out_with gidl_)
図 5 . 1 0 ： G I D L 電 流 の 有 無 に よ る 抵 抗 負 荷 反 転 回 路 の 過 渡 解 析 結 果 . ( 横 軸 ： t i m e 解 析 時 間 ， 縦 軸 ： V i n 入 力 電 圧 ， V o u t 出 力 電 圧 . )
5 . 4 . 2 差 動 演 算 増 幅 器
検 証 し た 差 動 演 算 増 幅 器 の 回 路 を 図 ５ ． １ １ に 示 す ． M N 1 の 正 入 力 端 子 I N + に は ０ ． ５ V か ら １ ． ３ V の 直 流 電 圧 を 入 力 し ， 負 入 力 端 子 I N - に は ０ ． ９ V の 直 流 バ イ ア ス 電 圧 を 印 加 す る ． 出 力 端 子 O U T に は ０ ． ９ V に 印 加 さ れ た １ M Ω の 抵 抗 が 接 続 さ れ る ． 差 動 ペ ア ・ ト ラ ン ジ ス タ の テ イ ル 電 流 は ０ ． １ u A の D C 電 流 が 接 続 さ れ る ． こ の 状 態 で 正 入 力 端 子 I N + の D C 電 圧 を 掃 引 し 差 動 演 算 増 幅 器 の 直 線 性 を 観 測 す る ．
G I D L 電 流 の 有 無 に よ り ， 計 算 さ れ た 直 流 解 析 結 果 を 図 ５ ． １ ２ に 示 す ． 低 い D C 入 力 電 圧 で G I D L 電 流 に よ る 影 響 が 観 測 さ れ る ． G I D L 電 流 は 高 い ド レ イ ン 電 圧 ， ソ ー ス 電 圧 よ り も 低 い ゲ ー ト 電 圧 の 印 加 条 件 で 電 流 量 が 多 く な る こ と か ら も 理 解 で き る ． 回 路 上 こ の 条 件 が 満 た さ れ て い る 部 分 は 差 動 ペ ア ・ ト ラ ン ジ ス タ の M N 1 ト ラ ン ジ ス タ で あ る ． 差 動 演 算 増 幅 器 の 差 動 ペ ア ・ ト ラ ン ジ ス タ を 構 成 す る M N 1 と M N 2 ト ラ ン ジ ス タ の バ ル ク 端 子 は ， 最 低 電 位 で あ る V S S に は 接 続 さ れ ず ， そ れ ぞ れ の ソ ー ス 端 子 に 接 続 さ れ て い る ． M N 1 ト ラ ン ジ ス タ で は ゲ ー ト 電 位 と ソ ー ス 電 位 が 逆 転 す る か ら で あ る ．
第５章 GIDL 電流モデリング技術
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図 5 . 1 1 ： 差 動 演 算 増 幅 器 の 計 算 回 路 . ( W / L = 1 0 0 u m / 0 . 1 8 u m ， V D D = 1 . 8 V ， V S S = 0 V . )
0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05
0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3
Vin (V)
Vout (V)
without GIDL with GIDL
図 5 . 1 2 ： G I D L 電 流 の 有 無 に よ る 差 動 演 算 増 幅 器 の 直 流 解 析 結 果 . ( 横 軸 ： V i n 入 力 電 圧 ， 縦 軸 ： V o u t 出 力 電 圧 . )
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5.5 むすび
本 章 で は ， 極 微 細 先 端 M O S F E T 技 術 に お け る 回 路 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 用 完 全 表 面 ポ テ ン シ ャ ル ・ モ デ ル H i S I M ２ の G I D L 電 流 モ デ ル を 提 案 し た ． G I D L 電 流 IG I D Lの ２ 種 類 の 電 流 成 分 で あ る B T B T 電 流 IB T B T と T A T 電 流 IT A T を 融 合 し ， 物 理 現 象 に 基 づ き 正 確 な モ デ ル 化 を 行 っ た ． 本 手 法 で は ， G I D L
電 流 IG I D L の 電 場 E へ の ゲ ー ト 酸 化 膜 厚 補 正 項 と ， ゲ ー ト 電 圧 ， 閾 値 電 圧
の 調 整 係 数 を 新 た に 記 述 し た ． 特 徴 と し て は ， 様 々 な 素 子 寸 法 ， 印 加 電 圧 依 存 性 に 対 し て 計 算 精 度 が 良 く ， ビ ニ ン グ を 必 要 と し な い こ と を 示 し た ．
極 微 細 先 端 素 子 で は ， G I D L 電 流 IG I D L は ド レ イ ン 電 流 特 性 I d - V g の 蓄 積 領 域 で 観 測 さ れ る 為 ， 重 要 な 電 流 で あ る ． 従 来 モ デ ル は ， G I D L 電 流 モ デ ル そ の も の が 記 述 さ れ て な い も の や ， 記 述 さ れ て い て も 数 式 処 理 等 を 施 し て い た ． そ の 為 に ， G I D L 電 流 が 回 路 に 及 ぼ す 影 響 や G I D L 電 流 そ の も の の 電 流 値 が 正 確 に 見 積 も れ な い こ と が 問 題 と な っ て い た ．
提 案 モ デ ル の 有 効 性 を 検 証 す る た め に ， 測 定 値 と 計 算 値 の 誤 差 検 証 と し て ， ９ ０ ｎ ｍ テ ク ノ ロ ジ の N M O S ５ 種 類 と P M O S ２ 種 類 の 素 子 を 用 い ， G I D L 電
流 IG I D L の 抽 出 誤 差 を 考 察 し た ．ド レ イ ン 電 圧 ，ゲ ー ト 電 圧 の 各 印 加 電
圧 に よ る 依 存 性 が 十 分 な 精 度 で 計 算 で き る こ と を 示 し た ． 提 案 す る モ デ ル 式 の 精 度 に つ い て は ，N M O S 素 子 の 蓄 積 領 域 で の 最 大 誤 差 指 数 は ＋ ０ ． ２ ４ ， P M O S 素 子 の 蓄 積 領 域 で の 最 大 誤 差 指 数 は － ０ ． ２ ８ で あ り ， 電 流 の 増 減 傾 向 が 測 定 値 と 同 じ 傾 向 を 示 し た ． 従 来 モ デ ル で は ， 蓄 積 領 域 で の N M O S 素 子 の 最 大 誤 差 指 数 は － ０ ． ４ ５ で あ り ， 本 提 案 モ デ ル に よ る 改 善 が 認 め ら れ た ．
G I D L 電 流 が 回 路 に 及 ぼ す 影 響 と し て ， G I D L 電 流 の 有 無 に よ る 回 路 特 性 の 違 い を 検 証 し ， G I D L 電 流 が 正 確 に モ デ ル 化 さ れ な け れ ば な ら な い 必 要 性 を 述 べ た ． 抵 抗 負 荷 反 転 回 路 と 差 動 演 算 増 幅 器 で は ， G I D L 電 流 が 出 力 電 圧 と 入 出 力 特 性 に 影 響 す る こ と を 確 認 し た ． 提 案 す る 本 手 法 は ， 極 微 細 先 端 素 子 の パ ラ メ ー タ 抽 出 ， 回 路 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン ， 回 路 解 析 等 に 有 効 で あ る ．
最 後 に ， 現 在 リ リ ー ス さ れ て い る H i S I M ２ モ デ ル に は ， 本 G I D L 電 流 モ デ ル の 原 型 が 組 み 込 ま れ た ． そ の 展 開 と し て ， H i S I M _ H V モ デ ル ， H i S I M - S O I モ デ ル に も 提 案 す る 本 G I D L 電 流 モ デ ル の 原 型 が 組 み 込 ま れ た ． さ ら に ， 業 界 標 準 で あ る 回 路 シ ミ ュ レ ー タ の H S P I C E ， S p e c t r e ， E l d o や モ デ ル ･ パ ラ メ ー タ
第５章 GIDL 電流モデリング技術
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抽 出 ツ ー ル の I C C A P ， P r o P l u s ， U T M O S T な ど 殆 ど の ツ ー ル に 組 み 込 ま れ ， 産 業 界 や 教 育 ， 研 究 な ど で 広 く 使 用 す る こ と が で き る ．