JPH0473961A - Mosfet集積回路装置 - Google Patents

Mosfet集積回路装置

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JPH0473961A
JPH0473961A JP2187757A JP18775790A JPH0473961A JP H0473961 A JPH0473961 A JP H0473961A JP 2187757 A JP2187757 A JP 2187757A JP 18775790 A JP18775790 A JP 18775790A JP H0473961 A JPH0473961 A JP H0473961A
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mosfet
transistors
mosfets
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threshold voltage
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Susumu Tanimoto
谷本 晋
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(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、MOSFET集積回路装置に関し、特に、高
相対精度を有する対のトランジスタが集積化された、ア
ナログ型あるいはアナログ・ディジタル混在型MOS集
積回路装置に間する。
[従来の技術] 高い相対精度を有する対トランジスタを必要とする回路
として従来より差動増幅器等がMOS集積回路上に実現
されている。第6図は、代表的なMOSFET差動増幅
器の回路図であり、この回路ではnチャネルMOSFE
TMn 1とMn2およびpチャネルMO3FETMp
 1とMp2が高い相対精度を必要とする対トランジス
タである。
差動増幅器ではこれら対トランジスタの相対精度の高さ
により入力オフセット電圧等の重要回路特性が決定され
る。
従来からMOSFETはしきい電圧のバラツキが大きく
、その対トランジスタの相対精度はバイポーラトランジ
スタのそれに比べて劣っていたため、低入力オフセット
電圧の差動増幅器等を集積化したい場合には、バイポー
ラトランジスタを有するバイポーラまたはパイ・CMO
3集積回路技術が用いられてきた。対MO3FETの高
相対精度化対策、つまりしきい電圧バラツキ低減策とし
ては、素子の近接配置の外に、第7図に示すような、ユ
ニットトランジスタmplとmp4によって第6図のM
plを構成し、mp2とmp3とによりMp2を構成す
る、いわゆるたすき掛は配置がある。これは、ゲート酸
化膜厚、基板濃度等のウェハ上の各種勾配の影響を対M
OSFET間で平均化することにより、対MOSFET
間でのしきい電圧の相対バラツキを低減することを意図
したものである。
第8図は、近接配置した対pチャネルMO3FET間の
しきい電圧の相対バラツキを、たすき掛は配置しないも
の〔第8図(a)〕とたすき掛は配置としたもの〔第8
図(b)〕とのそれぞれについて度数分布表示したもの
である。ここでは、対トランジスタの総数は46組で、
また、測定したトランジスタ対は、ゲート長が10A1
m、ゲート幅が100μmのトランジスタ〔(a)の場
合〕、あるいはゲート長が10μm、ゲート幅が50μ
mのトランジスタをそれぞれ2個ずつ並列接続したもの
〔(b)の場合〕である。
[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の対トランジスタでは、たすき掛は配置し
ても、そうでない場合と比較して、しきい電圧差のバラ
ツキは標準偏差で10〜30%程度しか低減できず、そ
の値は0.7mV程度と大きかった。バイポーラトラン
ジスタの場合、トランジスタ間のΔVB!(同じコレク
タ電流を得るのに必要なベース−エミッタ閉;圧の差)
のバラツキは標準偏差の3倍が1mV以下であるので、
MOSFETは、たすき掛けにしたとしてもなお、バイ
ポーラトランジスタの2倍以上にばらつく。
そのなめ低入力オフセット電圧の差動増幅器等、高い相
対精度を有する対トランジスタを必要とする回路を集積
回路化する場合には、バイポーラまたはパイCMO3集
積回路技術を用いなければならなかった。
よって、本発明の目的とするところは、対MOSFET
ra1のしきい電圧の相対精度を高めることであり、も
って、従来バイポーラ技術のみによって可能であった、
低入力オフセット電圧の差動増幅器等の高相対精度を要
する回路をMO3型集積回路上に実現しうるようにする
ことである。
[課題を解決するための手段] 本発明のMOSFET集積回路装置は、互に対となって
用いられる同一導電型の第1、第2のMOSFETを有
するものであって、前記第1、第2のMOSFETはそ
れぞれ複数のユニットMOSFETの並列接続体から構
成され、前記第1のMOSFETに属するユニットMO
S F ETと前記第2のMOSFETに属するユニッ
トMOSFETとは横方向および縦方向に交互に配置さ
れ、かつ、それぞれのMOSFETに属するユニットM
OSFETのゲート面積の和はそれぞれ5000μm2
以上であるようになされたものである。
[実施例コ 次に、本発明の実施例について、図面を参照して説明す
る。
第1図は、本発明の一実施例を説明するための回路図で
あり、これは、第6図の差動アンプを入力段とする演算
増幅器の回路図である。この回路の入力段の差動対のp
チャネルMO3FETMp1、MP2は、第2図に示さ
れるようなユニットトランジスタの並列接続回路により
構成されている。mpl、mp3、mp6、mp8、m
p9、mpHの6個のユニットトランジスタでMplが
構成され、同様にmp2、mp4、mp5、mpl、m
plo、mpl2の6個のユニットトランジスタでMp
2が構成されている。これら各ユニットトランジスタの
ゲート面積は、t oooμmZ (ゲート長10μm
、ゲート幅100μm)となされている、したがって、
Mpl、Mp2の全ゲート面積はそれぞれ6000μm
2である。
一般にMOSFETの(1/周波数)に比例する低周波
ノイズはゲート面積が大きくなる程小さくなることが知
られているが、同様なことがしきい電圧のバラツキにつ
いても成り立つことが予測される0面積を大きくするこ
とにより表面準位等の局所的バラツキを平均化できるか
らである。そこで、全ゲート面積の異なる対トランジス
タの特性を比較するために、ゲート面積が!500tt
rrr”のユニットトランジスタが2個、18個、20
0個並列接続されたMOSFETの対を作成し、その対
のしきい電圧の差を調べた。得られた結果の度数分布を
それぞれ第3図(a)、(b)、(c)に示す、即ち、
第3図(a)、(b)、(c)はそれぞれ、ゲート面積
が1000.9000.105μm1の対トランジスタ
のしきい電圧差のバラツキを示している。この場合、対
をなすトランジスタそれぞれのユニットトランジスタは
、第2図に示すように、対間で各種勾配の影響を平均化
するために対称的に配置されている。この第3図より、
対をなすトランジスタのゲート面積を大きくするとしき
い電圧の相対バラツキが小さくなっていることがわかる
第4図は、第3図の分布のデータより得たしきい電圧差
の標準偏差のゲート面積依存性を表すグラフであって、
横軸は1/(全ゲート面積)としである。同図より第1
図中の差動対Mp1.Mp2のしきい電圧差をバイポー
ラトランジスタ対の差電圧Δ■1の値と同様に、標準偏
差を1/3mV以下とするためには、対をなすトランジ
スタのそれぞれの全ゲート面積を5000μX112以
上とすればよいことがわかる。
上記説明では簡単化のため負荷のミラー回路を構成する
nチャネルMO3FETMnl、Mn2間のしきい電圧
バラツキを無視しているが、実際にはこれも考慮にいれ
る必要がある。そこで、nチャネルMOSFETについ
ても、ゲート面積が500μm2のユニットトランジス
タを前述のpチャネルの場合と同様に、対称的に配置さ
れたユニットトランジスタを2個、18個、200個ず
つそれぞれ並列接続して同一ウェハ上にnチャネルMO
SFET対を作成し1.:のMOSFET対間のしきい
電圧差の度数分布を調べたところ、バラツキ(標準偏差
)はpチャネルMOSFETの場合よりやや小さくなっ
ているものの、第3図、第4図とほぼ同様の結果が得ら
れた。従って、前述の実施例で負荷のnチャネルMOS
FET対間のしきい電圧差が問題となる場合にはpチャ
ネル型の場合と同様にゲート面積を5000μm2以上
とすることにより、負荷のnチャネルMOSFET対間
のしきい電圧差のバラツキによる影響を排除することが
できる。
しかし、注意すべき点は、本発明は単にゲート面積を大
きくすることによってしきい電圧差を低減しているので
はない点である。ゲート面積を大きくとることの効果は
表面単位等の局所的なバラツキ要因に対するものである
ので、十分な効果を得るには上記対策とともにウェハ上
の各種勾配に対する平均化対策を併用する必要がある0
本発明では、十分率さいしきい電圧差を得るために必要
なゲート面積を、ウェハ上の各種勾配を対MOSFET
間で十分平均化できる程小さいゲート面積のユニットト
ランジスタを複数個対称配置することにより得ている。
第5図は、本発明の他の実施例を示す回路図である。同
図において、Mp4乃至Mp6は同一サイズのpチャネ
ルMOSFET、Mn4、Mn5は、それぞれゲート面
積が500μm2のユニットトランジスタを12個並列
に接続し、第2図に示すように互に対称的に配置して構
成したnチャネルMOSFET、R1、R2はp型基板
上のnウェルに形成されたR 2 / R1= aを満
たす拡散抵抗、Dl乃至D3はpチャネルMOSFET
のソース・ドレインと同時に形成される高濃度p型拡散
層をアノード、nウェルをカソードとするp+n−型接
合ダイオードである。これら各ダイオードを、 (DIのアノード面積): (D2のアノード面積):
 (D3のアノード面積) =n:1:n(但し、n〉1) となるように設定しておくと、出力電圧Vo2は次式で
与えられる。
V 02= V p + a−Vt J a nここで
、VPはダイオードD1の順方向電圧、v丁はkT/q
で与えられる電圧である。この回路は、バイポーラ集積
回路で高精度電圧源とじてしばしば利用されるバンド・
ギャップ・リファレンス回路をMO5集積回路技術で実
現したものである。従来技術により第5図の回路を実現
した場合、主にMn4とMn5間のしきい電圧差のバラ
ツキにより、バイポーラ集積回路で実現されるものと比
較して、常温出力電圧バラツキ、温度特性変動が共に大
きかった。しかし、本実施例では、M n 4とM n
 5間のしきい電圧差は、バイポーラトランジスタのΔ
VntTK圧と同等以下となり、バイポーラ集積回路と
同等あるいはそれ以上に高精度なバンド・ギャップ・リ
ファレンス回路がMO8集積回路技術により得られる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、MOSFET対に対す
るウェハ上の各種勾配の影響を複数のユニットトランジ
スタの対称配置により小さくすると同時に表面準位等の
局所的なバラツキの影響をゲート面積を5000μm2
以上とすることにより小さくしたものであるので、本発
明によれば、MOSFET対のしきい電圧の差をバイポ
ーラトランジスタ対のΔ■BEと同程度かあるいはそれ
以下に抑えることができる。したがって、本発明によれ
ば、従来バイポーラ技術のみによって実現可能であった
高精度の回路をMO3集積回路において実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明の一実施例を説明するための回路図、
第2図は、本発明の一実施例を示す平面図、第3図(a
)〜(c)は、それぞれユニットトランジスタの並列接
続数を変えた場合についてのしきい電圧差の発生度数分
布図、第4図は、ゲート電極面積に対するしきい電圧差
の標準偏差の変化を示す図、第5図は、本発明の他の実
施例を説明するための回路図、第6図は、従来例を説明
するための回路図、第7図は、従来例の平面図、第8図
(a)、(b)は、従来例のしきい電圧差の発生度数分
布図である。 1・・・ゲート電極、 2・・・素子領域、 3・・・
第1層金属配線、 4・・・第2層金属配線、 Mnl
〜M n 5−−− nチャネルMOSFET、  M
pl 〜Mp 6 =−pチャネルMO3FET、 m
pl 〜mp12・・・ユニットトランジスタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1.  互に対となって用いられる同一導電型の第1、第2の
    MOSFETを有するMOSFET集積回路装置であっ
    て、前記第1、第2のMOSFETはそれぞれ複数のユ
    ニットMOSFETの並列接続回路から構成され、前記
    第1のMOSFETに属するユニットMOSFETと前
    記第2のMOSFETに属するユニットMOSFETと
    は横方向および縦方向に交互に配置され、かつ、それぞ
    れのMOSFETに属するユニットMOSFETのゲー
    ト面積の和はそれぞれ5000μm^2以上であること
    を特徴とするMOSFET集積回路装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6552402B1 (en) 1998-04-09 2003-04-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Composite MOS transistor device
US8004362B2 (en) 2006-08-23 2011-08-23 Nec Corporation Gate bias circuit

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0212929A (ja) * 1988-06-30 1990-01-17 Toshiba Corp 半導体集積回路

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