Local fluctuations study of MOS transistors for analog applications
Étude des fluctuations locales des transistors MOS destinés aux applications analogiques
Résumé
Electrical fluctuations of devices limit chip miniaturization. Despite manufacturing processes in continuous evolution, circuit performances are limited by electrical characteristics variations due to mismatch between two devices. Concerning low power applications, local fluctuations can become very critical. In the context of development of a 90nm CMOS technology with Embedded Flash memory for low power applications, MOS transistors matching is studied. A study of NMOS transistors gate doping impact is conducted. Study focuses on voltage matching of differential pairs biased under threshold. It is demonstrated that this matching can be degraded due to " hump " effect, meaning presence of parasitic devices on active edge. A macro-model allowing designers to model this effect is presented. It is studied at device level, circuit level and for different temperatures. Finally, a degradation study of MOS transistors mismatch under Hot Carriers Injection stress is performed, validating a degradation model. Octagonal devices are proposed to suppress " hump " effect and give good results in terms of matching as well as reliability.
Les fluctuations électriques des composants sont une limitation à la miniaturisation des circuits. Malgré des procédés de fabrications en continuelle évolution, les variations des caractéristiques électriques dues au désappariement entre deux dispositifs limitent les performances des circuits. Concernant les applications à faible consommation, ces fluctuations locales peuvent devenir très critiques. Dans le contexte du développement d'une technologie CMOS 90nm avec mémoire Flash embarquée pour des applications basse consommation, l'appariement de transistors MOS est étudié. Une analyse de l'impact du dopage de grille des transistors NMOS est menée. L'étude se focalise sur l'appariement en tension des paires différentielles polarisées dans la zone de fonctionnement sous le seuil. Il est démontré que cet appariement peut être dégradé à cause de l'effet " hump ", c'est-à-dire la présence de transistors parasites en bord d'active. Un macro-modèle permettant aux concepteurs de modéliser cet effet est présenté. Il est étudié au niveau composant, au niveau circuit et en température. Enfin, une étude de la dégradation de l'appariement des transistors MOS sous stress porteurs chauds est réalisée, validant un modèle de dégradation. Des transistors octogonaux sont proposés pour supprimer l'effet " hump " et donnent d'excellents résultats en termes d'appariement ainsi qu'en fiabilité.