石川尚道・多田昭晴＊

低電圧電流形センスアンプ回路における ＭＯＳトランジスタサイズの影響（２）

石川尚道・多田昭晴＊

岡山理科大学大学院工学研究科修士課程`情報工学専攻

*岡山理科大学工学部情報工学科

（1997年10月６日受理）

１．まえがき

マイコンや民生機器に使用されているＬＣＤ駆動制御回路を内臓した８ビットマイコン 内のＲＯＭのセンスアンプには従来，差動形センスアップ')2)を使用していたがチップ面 積が大きく，消費電流が大きい。これに対して電流形センスアンプ回路は，低消費電力，

チップ面積小を期待できる。

前回の『低電圧電流形センスアンプ回路におけるＭＯＳトランジスタサイズの影響ｊで は，トランジスタのサイズ（ゲート長：Ｌ，ゲート幅：Ｗ）を変更することにより，1.6Ｖ までは動作可能という研究成果を得た。

今後，市場の拡大が期待される携帯機器では低電圧化，低消費電力化を図ることで，よ りバッテリーの寿命を長くすることが望まれる3)の。

本研究では１．０Ｖ動作を目的とし,デバイスパラメータとトランジスタサイズを変更する。

ROMについては,実験的に書き換えを行なうため紫外線消去可能なＥＰＲＯＭを使用した。

２．電流形センスアンプ仕様

図１に今回検討した電流形センスアンプ回路を図２に入力信号と正常動作出力を示す。

まず，入力信号がO～250nsまでの間について考える。この区間ではリード信号が“Ｌ"，

セレクタ信号が“Ｈ"，ワード信号が“Ｌ，，となっている。この状態のときＭ５ＴｒとＭ６Ｔｒ はＯＮとなり，ビットラインを選択し，ＥＰＲＯＭメモリーセル部へ電流がチャージされ る。この時の出力は“Ｌ，’である。

続いて，入力波形図の250ｎs～500ｎｓまでの間ではリード信号が“Ｈ，，，セレクタ信号が

``Ｈ"，ワード信号が“Ｈ，，となっている。この状態ではすて､にメモリーセル部へのチャー ジは終わっているのでワード信号が“Ｈ”となり，Ｍ７ＴｒがＯＮになり，出力は‘`Ｈ”と なる。

更に，リード信号とセレクタ信号はそのままで，ワード信号が０，sで“Ｈ，，それ以降は

“Ｌ，，という状態の時（セルにデータが書込まれているとき）についても誤動作が起きな

ＶｄｄＶｄｄ

ヘン

ー

Ｖｄｄ

Ｖ

HilＬ

ｊＥＰＨ【

Ｖｓｓ

④

ワ

Ｖｓｓ

図１電流センス型センスアンプ゜回路

リード信号 セレクタ信号

ワード信号

“H,'状態）

ワード信号

“L',状態）

正常動作出力波形 (ワード信号“L''）

正常動作出力波形 (ワード信号“Ｈ'’１

0２５０５００７５０(ns）

図２各部の入力信号と正常動作時出力

いかシミュレーションする。

３．デバイスパラメータについて

前回使用したＬＥＶＥＬ３のデバイスパラメータを表１に示す。

今回用いたＬＥＶＥＬ４のデバイスパラメータに〆の上うか靴ＬＥＶＥＬ４のデバイスパラメータにどのようなものがあるかを表２に示す。

低電圧電流形センスアンプ回路におけるＭＯＳトランジスタサイズの影響(2) 155

表１ＬＥＶＥＬ３のデバイスパラメータ

Ｐｅｒａｍｅｔｅｒ ＬＥＶＥＬ ＴＯＸ ＣＯＸ ＮＳＵＢ ＧＡＭＭＡ ＰＨＩ ＶＴＯ ＵＯ ＶＭＡＸ ＴＨＥＴＡ ＥＴＡ ＫＡＰＰＡ ＤＥＬＴＡ ＫＰ ＡＣＭ ＲＤ ＲＳ ＲＤＣ ＲＳＣ ＲＳＨ ＩＳ Ｎ ＮＤＳ ＶＮＤＳ ＪＳ ＪＳＷ ＮＳＳ ＮＦＳ ＴＰＧ ＤＥＬ ＸＪ ＬＤ ＷＤ ＬＤＩＦ ＨＤＩＦ ＸＬ ＸＷ ＡＬＰＨＡ ＬＡＬＰＨＡ ＷＡＬＰＨＡ ＶＣＲ ＬＶＣＲ ＷＶＣＲ ＩＩＲＡＴ

Description

Modelselector Oxidethickness Oxidecapacitance Substratedoping Bulkthresholdparameter Surfacepotential Zerobiasthresholdvoltage Bulkmobility

Maximumdriftvelocityofcarriers Mobilitymodulation

Staticfeedback Saturationfieldfactor

Narrowwidththresholdadjustingfactor Transconductanceparameter Areacalculationmethod Drainohmicresistance Sourceohmicresistance Draincontactresistance Sourcecontactresistance Sheetresistance

Bulkjunctionsaturationcurrent Bulkdiodeemissoncoefficient Reversebiasslopefactor ReverseslopetransitionvoItage

Bulkjunctionsaturationcurrentperunitarea Sidewalljunctionsaturationcurrentperperipherylength Sufacestatedensity

Fastsurfacestatedensity Typeofgatematerial Channellengthreducton Metallurgicaljunctiondepth Lateraldiffusionforlength LateraldiffusionfoTwidth Lateraldiffusionbeyondthegate Heavilydopeddiffusionlength MaskingandetchingeffetconL MaskingandetchingeffetconW Impactionizationcurrentcoefficient ALPHAlengthsensitivity ALPHAwidthsensitivity Criticalvoltage VCRlengthsensitivity VCRwidthsensitivity

Ratｉｏｏｆｓｏｕｒｃｅｉｍｐactionizationcurrenttototal impactionizationcurrent

Ｐｅｒａｍｅｔｅｒ ＬＥＦＦ ＷＥＦＦ ＣＡＰＭＯＤ ｘＱｃ ＣＧＤＯ ＣＧＳＯ ＣＧＢＯ ＣＪ ＶＪ ＭＪ ＦＣ ＣＪＳＷ ＣＪＧＡＴＥ ＶＪＳＷ ＭＪＳＷ ＦＣＳＷ ＣＢＤ ＣＢＳ ＫＦ ＡＦ ＮＬＥＶ ＢＵＬＫ ＴＥＭＰＬＥＶ ＴＥＭＰＬＥＶＣ ＥＧ ＧＡＰ１ ＧＡＰ２ ＢＥＸ ＴＣＶ ＴＲＤ１ ＴＲＤ２ ＴＲＳ１ ＴＲＳ２ ＴＣＪ ＴＣＪＳＷ ＴＶＪ ＴＶＪＳＷ ＸＴＩ ＰＴＣ ＴＭＪ１ ＴＭＪ２ ＴＭＪＳＷ１ ＴＭＪＳＷ２ ＴＮＯＭ

Description Referencelength Referencewidth Capacitancemodelse1ector

Gate､oxidecapacitancechargemodelf1ag Gatedrainover1apcapacitance Gatesourceoverlapcapacitance Gate-bulkoverlapcapacitance Zero-biasareacap・perjunctionarea Bottomjunctionbuilt-inpotential Bottomjunctionbottomgradingcoeff Forwardbiasdepletionjunctioncap・coeff・

Zerobiassidewallcap、perjunctionperimeter Gateedgecapacitance

Sidewalljunctionbuilt-inpotential Sidewalljunctiongradingcoefficient Forwardbiasdepletioncap・coeff，

Zero-biasBDjunctioncapacitance Zero､biasBSjunctioncapacitance Flickernoisecoefficient Flickernoiseexponent NoisemodeIselector

PIacesabiasacrossthesubstratenode Temperaturemodelselector

Junctioncapacitancetemp・modelselector EnergygapatT＝OK

Energygaptemperturecorrectionfactor EnergygaptempertuTeCorrectionfactor Temperatureexponentformobility Thresholdvoltagetemperaturecoefficient Firsttemperaturecoefficientfordrainresistor Secondtemperaturecoefffordrainresistor Firsttemperaturecoeff、forsourceresistor Secondtemperaturecoeff．ｆorsourceresistor Junctionbottomcapacitancetemperaturecoeff Junctionsidewallcapacitancetemp、coefficient Junctionpotentialtemperaturecoefficient Junctionpotentialtemperaturecoefficient Saturatoncurrentexponent

Femipotentialtemperaturecoefficient FirstordertemperaturecofficientforMJ SecondordertemperaturecoefficientforMJ FirstordertemperaturecoefficientforMJSW SecondordertemperaturecoeffforMJSW Nominaltemperature

４．シミュレーション内容

1.0Ｖで動作するように(1)～(5)の内容をSilvaco社のＳｍａｒｔＳｐｉｃｅにより検証する。

（１）しきい値を低く抑えることにより，より低電圧で動作させる。

ＬＥＶＥＫ４の場合しきい値は以下の式で表わされる。

vth＝VFBeff＋のeff＋γ・（①eff-vbs)u2-eta・ｖｂｓ

ここで

γ＝K1eff-K2eff（①eff-vbs)l12

eta＝ＥＴＡｅｆｆ＋X2Eeff・vbs＋X3Eeff．（vbs-VDDM）

したがって，ＬＥＶＥＬ４のデバイスパラメータの中のＶＦＢ，ＰＨＬＫｌ，Ｋ２，ＥＴＡ，

Ｘ２Ｅ,Ｘ３Ｅを変更することによりしきい値を変化きせ1.0Ｖで動作するようにする。

その様子を図３に示す。しきい値が変化している様子がわかる。

表２ＬＥＶＥＬ４のデバイスパラメータ

Peねmeter Description

函咽》哩呵函極函”、》、噸ｍｍＭ””》函 皿砥亟曄翻四Ｎ応繩旺緬泗皿卵、叩唾唖皿醐蠅』》心蛎”》癖》》》Ｑｗｍ歴》》岬岼》亜“匪賑泗辨》》

DescTiption Dminohmic斤負iQmnTP SouX℃ｅｏｈｍｉｃ正里igOnnE D2Eincm１匹c1正§i量0F､塵 SouJUecmDl2Tq正ＢｉＲｌ亜TP Shect壁isnnn唾 BulkjlmctionsatumtioncmT迫nt BulkdiO1ePmiQ⑥ｉｍｕＣ－価Ciem BulkjlmctimsatuJmioncm正mpcTImit亜a SidewalljumcIionsamJmiouucunmlpemeTipheuylemgth SlopcI白ctoTIbmw率ｅｂｉａｓ

ＶＯｌlB8cmnsiIimpomtfbm己v口百ebias MeIallurgicaljImctimldepm Shorlenm8ofchaImel NaImwingofchanncl LalBmldiflmsionfbrImgth latemldiflmIonfbrwidth IatemldiffUsionbeymdthegaに HeavUydopeddifYUsionLngth MasldngandetcMngeHbctsouuL Ma8面ngandctdningefYectsonW ImpactioUUzatimcmEmcoefIiciml ALPHA1mgthsensitiviw ALPHAWidIhSCnSitivity CnpacimcemodelseleCtor VCRlmgthscmsiIiviw VCRWidlhSemSiuvily CEpa噂itnncemodelselector Gatc-oxidcc3pacitaXBcech日JgcmodelnB8 Gaに-dminoverlapcapacitancepcrmeleTomh日、clwidlh Gate-mumccoverlapcap⑥citaxuccpermelerofchamRclwidth Galc-bulkoveulBpcapacimncepcrmcOerofChalmelwidIh ZeTひbiBs国℃acappcTjunctiouuaIEa

AJ℃ajuuBctionbmh-inpoteTtUal AI迫ajunctionbottom獣admgcocfYZ

CbefliciemImthcfbrwmd-biasdepletionjImctoncapac烟Zrefbmuula ZeuひbiBssidewancappeTjunctimupemT泥IcT

Ga陸edgccapacitax2ce SidcwaUjuncIionbuilt-mpotemial SidCwaUjlmcIion画adingcoclYiCiemt

CbefYiCIentmrIbTwam-biasdeplCtion8idewallcapacitBncefbumula Ze8かbiBBB-Djunctionc狂pacitance

Ze心biasB-SjImctioncap⑥citance Flickernoi醒垈産益cimO F1ickerno峰印pomenI No唾mcde1gpU塵匝 Ｌｆｍｌｑｌｍｌｋｎ⑪dPcmTYTOi亜 Ｔ℃mppHtu2Cmodelselemor

JumCtimcapaci函沌etempcmtmCmodelsclectoT EncJｇｙ８ａｐａＩＴ割Ｋ

日施ugygapOBmpemtmCcor正ctionmctor 日淀『gy8apoempemtm巴cmT℃ctionmctoT Tbmpemturecxpomemfbrmobimy mI画hoIdvoltagetempemtmUcocfT、

Fimltemp,coefY､fbrdmhwcsismr Secomdtpnp,coefmbTdaJin輝isIo「

Fhzttemp・coefYBfbrsource碑iBtor Sccomd回Ttp・coefrsouIUer巳sismr JuncIionbcmomcapaciIanccＩｅｍｐ・coefE JImcIionBidcwa】lcapacitancetemp・ＣＯＣ虹 JImcdonpoOcYMialtem叩emtmEcoc瓜 Juncdonpotemial[cmpemturpcoefYb SatumtionCmTemexpmuen8 FeTmipoIentialOcmpemmmcmelYIcにnI FiJ己tordeTlputpｃｍｔｍ℃ＣＯＣ庇fbrMJ Seca1dordcrIeuTDpｃＩｍｍＰｃｏＣ庇lbrMJ FiIBtordcrIemp・ＣＯＣⅨfCrMJSW SecondoIdertemp・coefmbrMJSW Nominaltempcmm妃

““ｗ、皿”、皿Ⅷ“》》控 ・雁》》》岬唖

控》》唖“》鋤卿御“》ＳＳＳ

naq-bamvCltagC 1全ngthdepemdenceofVFB WidthdcpendcmceofVFB SmBceinveTBionpoOential 陸n8IhdependemceofPLHI WidthdependemceofPHI BodyefYbcOcocncimt Lengthdepq1dcnccofK1 WidIhdePendefmeofKl

Dr画､ﾉmumcdcpleUonchargeshmn8coelYiciem Lcn8dudePememOccfKZ

Widlhdependc81ccofK2

ZeuObiBsdI画n-inducedbamcrloweTingcoemcienI LengthdcpemdenceofETA

WldthdcpendmceofETA MobiUlyatvds=Ｏ 陸ngdDdep臼TdenceofMUZ WidIhdepemden“ｏｆＭＵＺ ＭｏｂｉＵｔｙａＷｄｓ=VDD Ln8thdepeu1dcncgofMUS Widlhdepcndp”ｃｏｆＭＵＳ

Ｚｃ⑪biasmnsveHBc-fieldmobiUtyde団Edalioncoemcienl l二nglhdepmd…cｏｆＵＯ

ＷidlhdepEu1deJ1ceofUO

Imgitudinalfieldmobility“uctioncoefYicimI 陸ngthdependenceofUl

WidIhdependCulccofU1 SensitivityofmcbUityto8ubsumcbiag 比ngdldependenceofX2MZ WidthdcpendencCofX2MZ

Scnsitivilyofdr3in-inducedbmTia1owCringcI庇c8IosubsmIebia3 １全ngthdcpmdencCofX2E

Widthdepe81dｍｃｅｏｆＸＺＥ

Ｓｐ画itiviIyofdmin-inducedbuJTierlowCnngeflecttodminbias l二ngthdePpnenceofX3E

Widthdep臼皿ｍｃｅｏｆＸ３Ｅ

Ｓｅｍａｏｆｐｍ旭vpBefieldmobilitydCp日damonefY上cttosubslmにbias L二,8thdepemdenceofX2UO

Widthdepende刺ccofX2UO

SensitMlyofveIociwsalumIiｏｎｅ砿にtosubsmlcbias LenghtdcpmdcnceofX2Ul

WMlhdependeuuCeofX2Ul

Sem８.ofmobiliWtosubsmtebiasatVDS=VDD I二n81hdepptdcmceofX2MS

Widthdepend亘距ｅｏｆＸ２ＭＳ

Ｓｐ唾iUvilyofmobilityIodminbiasaWDS=ＶＤＤ Ｉ二uugdldepmdeHucccfX3MS

WidIhdependemceofX3MS

Scns､ofvelocitysammlioqucllbclondITＵｎｂｉａｓａＷＤＳ=VDD lLngdldCpendcnccofX3Ul

WidthdePemdenCeofX3U1 Ga1eo型delhifhT壁 Oxidccapacitance MeasuJ画mentdranbiasmn8e Zem-biassubllⅢUsho1dslopccocfYicIml l二ngdldependcnceofNO WidthdePeI1demceofNO Sp画.ofsubd汕已shold31opsubsmtcbias l△ngIhdepeT魁cnceofNB Widlhdepeumcl随ecrNB Scns・ofsubURJ℃sholdslopc-dmmbi田 上ngdldepeuudmceofND WidthdependenceofND Som℃cdmBinjlmctiondefEullwidIh CompatibilitypaJ沼ｍｅ画,notuBed VGSlimiterfbrsubtlI℃EholdcuJT巴nlcz1lCuc121imu Modclcquationupdatcselcctornag AJP旦征nrquImionmP0Imd Geoune回yselectoTfbrACM=３

(2)Ｍ４Ｔｒサイズの最適化

Ｍ４Ｔｒのβを小さくしてチャージスピードを遅らせ，ノイズの発生を抑える Ｍ４ＴｒのＷ／Ｌの値を小さくしていったところ，

Ｗ／Ｌ＝0.155までは正常動作可能 (3)Ｍ３Ｔｒサイズの最適化

Ｍ３Ｔｒのβを小さくして消費電流を抑える Ｍ３ＴｒのＷ/Ｌの値を小さくしていったところ，

Ｗ／Ｌ＝0.147までは正常動作可能

Ｗ／Ｌに対する消費電流の様子図４に示す。

低電圧電流形センスアンプ回路におけるＭＯＳトランジスタサイズの影響(2) ¹⁵⁷

E麺

,‘ノPβｊ Ｌ．/I

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ｎｕｋ

ＯＶ ＩＶ ｚＶ ３Ｖ

ｖｇ５

図３しきし､｛直のシミュレーション結果

CmT己nt(uA)xlO-3

600.00 550.00 500.00 45000 400.00 35000 300.00 250.00 20000 150.00 100.00 50.00

Ｌ(ｕｍ）

0.0020.0040.0060.0080.00100.00

図４ＤＣ特’１生のシミュレーション結果

－

（ （

、

、

～

（４）温度を-20℃～100℃まで変化させる。

温度については－２０℃～'00℃の間では正常動作を確認した。

（５）スピードについて

前回は４Ｍｚでの動作しか確認しなかったが今回はどうか ８Ｍｚでは動作可能。

図５に，Ｍ４ＴｒのＷ／Ｌ＝0.155,Ｍ３ＴｒのＷ/Ｌ＝0.147,温度＝２７℃，

8Ｍｚの時のシミュレーション結果を示す。

動作速度＝

］

^Ｉ

ＺＴｎｈｇ ｒｉＴＵＱ

｜』

IOD、

図５最適条件のシミュレーション結果

５．まとめ

Ｍ４ＴｒのＷ/Ｌを0.155,Ｍ３ＴｒのＷ/Ｌ

Ｍ４ＴｒのＷ/Ｌを0.155,Ｍ３ＴｒのＷ/Ｌを0.147にすることにより動作電圧1.0Ｖ，

消費電流0.32匹Ａ,動作速度８Ｍz,動作温度－２０℃～100℃で正常動作することが確認で

きた。

表３に，前回（低電圧電流形センスアンプ回路におけるＭＯＳトランジスタサイズの影 響）と今回のシミュレーション結果を比べたものを示す。

低電圧電流形センスアンプ回路におけるＭＯＳトランジスタサイズの影響(2) ¹⁵⁹

表３シミュレーション結果の比較

動作電圧 ^1.6Ｖ 1.0Ｖ

消費電流 11浬Ａ ０．３２ﾉuＡ

動作速度 ４ＭＺ ８ＭＺ

温度 27℃のみ確認 -20℃～100℃

デバイスパラメータ LＥＶＥＬ３ LＥＶＥＬ４

参考文献

１）柴田信太郎：TECHNICALREPORTOFIEICEICD95-28，pp39-46，Jun,１９９５．

２）柴田信太郎：電子通信学会論文誌VoLJ78-C-IINo､９，ｐｐ,478-481,Sep､１９９５．

３）石川尚道・多田昭晴：岡山理科大学紀要第32号No.３２，ppll3-119，Mar､１９９７．

４）石川尚道・多田昭晴：電気・情報関連学会中国支部第47回連合大会講演論文集，ｐ,２１６，０ct､1996.

EffectsofMOSTransistorSizeinCurrentSense

AInplifierforLow-voltageMemories（２）

NaomichilsHIKAwAandAkiharuTADA＊

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OADCZyzz”αＵ)、ﾉeぶりﾉｑ／Ｓｂｊｅ"Ce，

Ｒｉ〃.cﾉﾉ０m，ＯﾉﾚqWz腕am0-00的，ノtZPα〃

（ReceivedOctober6，1997）

ConventionalROMSsenseamplifiersuseddifferentialsenseamplifier,butitislarge chipareaandpower・Currentsenseamplifiercanexpectlow-voltageandreducingchip

area・

Lastreseach“EffectofMOSTransistorSizeinCurrentSenseAnlplifierfor Low-voltageMemories”resultedthatthetargetcurcuitcouldrunatL6-voltby changingtransistorsize

Afterthis,fieldofportableappliancedemandlow-voltageandlow-power、Inthis paper，wehavetriedtochangetransistorsｉｚｅａｎｄｄｅｖｉｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｔｏｒｕｎａｔｌO-volt、

ＴｈｉｓｃｉｒｃｕｉｔｕｓｅｄＥＰＲＯＭｔｈａｔｃａｎｅｒａｓｅｂｙUItravioletraystorewriteinexperiment．