Multi-threshold CMOS とは

多閾値CMOS(MTCMOS)は、遅延または電力を最適化するために、複数の閾値電圧(Vth)を有するトランジスタを有するCMOSチップ技術の変形である。 MOSFETのVthは、絶縁層(酸化膜)とトランジスタの基板(ボディ)との界面に反転層が形成されるゲート電圧である。低Vthデバイスはより速くスイッチするため、クリティカルな遅延パスでクロック周期を最小限に抑えるのに役立ちます。不利な点は、低Vthデバイスが実質的により高い静的漏れ電力を有することである。高Vthデバイスは、クリティカルでないパスで使用され、遅延ペナルティを招くことなく静的漏れ電力を低減します。典型的な高Vthデバイスは、低Vthデバイスに比べて静的リークを10倍低減します。
複数の閾値電圧を有するデバイスを作成する1つの方法は、トランジスタのベースまたはバルク端子に異なるバイアス電圧(Vb)を印加することである。他の方法は、ゲート酸化物の厚さ、ゲート酸化物誘電率(材料タイプ)、またはゲート酸化物の下のチャネル領域におけるドーパント濃度を調整することを含む。
マルチスレッショルドCMOSを製造する一般的な方法は、フォトリソグラフィとイオン注入工程を追加するだけである。所与の製造プロセスでは、Vthは、ゲート酸化物の下のチャネル領域内のドーパント原子の濃度を変えることによって調整される。典型的には、イオン注入法により濃度を調整する。例えば、フォトリソグラフィ法は、フォトレジストを有するp-MOSFETを除くすべてのデバイスをカバーするために適用される。次いで、フォトレジストが存在しない領域においてゲート酸化物に浸透する選択されたドーパントタイプのイオンを用いて、イオン注入が完了する。次にフォトレジストを剥離する。 n-MOSFETを除くすべてのデバイスをカバーするためにフォトリソグラフィー法が再度適用されます。その後、イオンがゲート酸化物を貫通して、異なるドーパントタイプを使用して別の注入が完了する。フォトレジストを剥離する。後続の製造プロセス中のある時点で、注入されたイオンは、高温でのアニールによって活性化される。
原理的には、任意の数の閾値電圧トランジスタを製造することができる。 2つの閾値電圧を有するCMOSの場合、p-MOSFETおよびn-MOSFETのそれぞれに対して追加のフォトマスキングおよび注入ステップが1つ必要である。ノーマル、ローおよびハイVth CMOSの製造には、従来のシングルVth CMOSに比べて4つの追加ステップが必要である。