автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Проектирование аналоговых блоков интегральных схем с низким напряжением питания

На правах рукописи

РУСАНОВ Александр Валерьевич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ БЛОКОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ

Специальность: 05.27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005535758 г 4 ОКТ Ш

Воронеж-2013

005535758

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор

Балашов Юрий Степанович

Официальные оппоненты: Строгонов Андрей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры полупроводниковой электроники и наноэлектроники;

Зольников Владимир Константинович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», заведующий кафедрой вычислительной техники и информационных систем

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный университет»

Защита состоится 12 ноября 2013 г. в 1400 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 11.10.2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета /ОтТ^Г/уХ Горлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Номенклатура современных полупроводниковых изделий очень разнообразна: от электронных компонентов (транзисторы, диоды и т.п.) до интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции. На сегодняшний день одними из наиболее востребованных являются ИС цифровой обработки сигналов - цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП).

Рост требований современной электронной индустрии к скорости обработки сигналов привел к появлению на рынке ИС АЦП с быстродействием более 200 MSPS. Столь высокие скорости выборок при приемлемом энергопотреблении обусловлены особенностями их схемотехники и передовыми технологиями изготовления ИС. Отечественная электронная промышленность обладает рядом таких технологических процессов (например, короткоканальные 180 и 90 нм технологические процессы ОАО «НИИМЭ и «Микрон»), Несмотря на это, существующий рынок АЦП в России представлен в основном зарубежными изделиями, причем даже в этом секторе доступ к скоростным АЦП ограничен. Имеющиеся решения в основном предназначены для применения в специальной аппаратуре, при этом разрабатываемые в последнее время АЦП в большей степени закрывают потребности в элементной базе, разработанной несколько лет назад, и не соответствуют современным требованиям.

Основным сдерживающим фактором в развитии разработок отечественных высокоскоростных АЦП является дефицит теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях. Современные поколения технологических процессов предлагают низкое напряжение питания (1.8 В и менее), которого часто бывает недостаточно для достижения приемлемых технических характеристик аналоговой схемы.

Поэтому формирование теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях является актуальной задачей.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода проектирования аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка способа снижения порогового напряжения МОП-транзистора (МОПТ) для обеспечения реализации аналоговых блоков ИС.

2. Разработка модели МОПТ со сниженным пороговым напряжением для проведения автоматизированного проектирования аналоговых блоков ИС.

3. Разработка схемотехнического и топологического решения аналогового устройства на примере операционого усилителя с использованием МОПТ со сниженным пороговым напряжением.

Научная новизна. В диссертации получены следующие научно-

технические результаты:

1. Впервые разработан способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры. Впервые разработано топологическое решение МОПТ со сниженным пороговым напряжением. Авторские права на разработанную топологию зарегистрированы в Роспатенте (свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной

микросхемы № 2013630073).

2. Впервые разработана эквивалентная схема МОПТ со сниженным пороговым напряжением. Предложенная эквивалентная схема основана на учете одновременной работы двух физических эффектов: полевого и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры. Получена аналитическая зависимость тока стока МОПТ от входного напряжения.

3. На основе предложенного способа снижения порогового напряжения МОПТ впервые разработан блок операционного усилителя по субмикронной технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.

Практическая значимость

1. Научное значение полученных результатов заключается в возможности создания аналоговых блоков ИС по современным субмикронным и глубоко субмикронным технологиям с низким напряжением питания с использованием стандартных библиотек технологических компонентов с эффективной схемотехнической реализацией.

2. Разработанный способ снижения порогового напряжения МОПТ имеет высокую практическую ценность для областей разработки и промышленного производства современных компонентов отечественной микроэлектронной базы за счет возможности простой реализации аналоговых устройств, повышения эффективности работы уже имеющихся схемотехнических решений, существенного сокращения временных затрат на этапах разработки,

измерений и исследований.

3. Результаты диссертации использованы при разработке ИС приемника LVDS (low-voltage differential signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов), проектируемого ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

Значимость для учебного процесса.

Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский

государственный технический университет», учебных курсах теоретической и практической подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе (SiP) и программе дистанционной подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования 3D изделий наноэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» совместно с «Роснано».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры.

2. Эквивалентная электрическая схема МОПТ со сниженным пороговым напряжением, функционально представляющая собой параллельное соединение латерального биполярного и полевого транзисторов.

3. Блок операционного усилителя, разработанного по субмикронной технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях: всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2012), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы в области электроники, приборостроения, машиностроения» (Воронеж, 2012), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной схемы. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-3] - проведение исследований, моделирование и анализ схемотехнических и топологических решений, [4, 5] - проведение расчетов, математическое моделирование, [6, 9] - разработка топологии, [7, 8] -анализ схемотехнических и топологических решений, [10 - 12] - подготовка разделов по проектированию топологии аналоговых схем.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 106 наименования. Основная часть работы изложена на 98 страницах, содержит 55 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и практическая значимость работы, а также сформулированы ее цели, научная новизна, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлены сведения о проблемах разработки аналоговых блоков ИС в современных поколениях технологических процессов производства и существующих решений этих проблем.

Есть три ключевых ограничения для реализации аналоговой схемы в технологиях с низким напряжением питания: высокое пороговое напряжение; модуляция длины канала в субмикронных технологиях; дефицит аналоговых моделей для субмикронных технологий.

Диссертация сосредоточена на решении первого ограничения - высокого порогового напряжения МОПТ. В мировой практике существует несколько путей решения этой проблемы. Их можно разделить на две группы: технологические и схемотехнические.

Технологические пути снижения порогового напряжения заключаются в изменении параметров технологического процесса. Но такой метод является крайне неудобным и дорогим, поскольку предполагает изменение характеристик всех приборов разрабатываемого устройства либо возможное введение дополнительных технологических операций. Кроме того, в таком случае полупроводниковая фабрика, как правило, снимает с себя ответственность за работоспособность конечной продукции.

Другая группа методов - схемотехнические, которые позволяют решать проблему высокого порогового напряжения без изменения параметров технологического процесса. В мировой практике известны следующие схемотехнические методы: работа МОПТ в подпороговой области; смещение перехода исток-карман МОПТ; управление транзистором с помощью кармана;

работа МОПТ в биполярном режиме.

Каждый из этих методов обладает недостатками. Основным недостатком подпорогового режима являются малая величина тока стока и очень низкая частотная характеристика прибора. Два других метода предусматривают необходимость использования источника опорного напряжения, что усложняет схему и не всегда допускается условиями технического задания на разработку ИС. Работа МОПТ в биполярном режиме способствует снижению необходимого напряжения сток-исток для задания требуемого тока, в то время как пороговое напряжение только увеличивается.

Таким образом, ни один из известных методов снижения порогового напряжения МОПТ не может удовлетворить потребности разработчиков

1-месячных и 2-месячных экспериментов были рассчитаны средние значения и стандартное отклонение следующих параметров: концентрация свинца, pli и содержание РОВ в жидкой фате культуры, концентрация пигментов и пигментные индексы. При составлении общего флористического списка из S новторностей эксперимента учитывали постоянство вида. При этом постоянными вилами для данного сообщества считали, если они встречались более чем в 50 % выборок, добавочные - в 25-50 % выборок, случайные - менее чем в 25 % выборок. Случайные виды в список не включали. Балл видового обилия рассчитывали как среднее индивидуальных проб. Так как в ходе дисперсионного анализа для показателей контрольных АЦС в ВПК была показана значимость фактора «сезон», то эксперименты с различными соединениями свинца были разделены на 2 группы: заложенные в «зимний» сезон (серия опытов с внесением нитрата и ацетата свинца) и «летний» сезон (серия опытов с внесением сульфата и оксида свинца), эти группы анализировали независимо друг от друга.

Глава 3. Оценка влияния свинца на ночвенные водоросли: метод чашечных культур со «стеклами обрастания» Таксономическая структура и обилие подорослей. Всего в исследованных ЧК было обнаружено 17 видов водорослей и цианобактсрий из 14 родов, 7 порядков. 2 отделов. Водоросли отдела Hetcrokontophyta встречались единично в нескольких пробах и были отнесены к случайным вилам и в дальнейшем анализе н: учитывались. При культивировании АЦС загрязненной серой лесной почвы методом ЧК было обнаружено, что независимо от присутствия свинца, его дозы л химической формы при 2-х недельном культивировании во всех ЧК был обшружен только 1 вид цианобактерии Cyanodictyon reliculatum (Lemmermann) (icitier. При этом в одном из конгролей была обнаружена зеленая водоросль Spongiochloris minor Chantanachat & Bold. Данный факт, очевидно, связан не столько с высокой концентрацией свободного металла в опытах с загрязнением и устойчивостью колониальной цианобактерии с хорошо развитой слизью к его влиянию, сколько с недостаточным исходным количестюм почвенных водорослей и в связи с этим отложенным пуском механизма «цветения почвы». При 1 месяце культивирования АЦС не наблюдалось массового развития водорослей в опыте с нитратом свинца при диче 1003 мг РЬ/ кг почвы, в опыте с ацетатом свинца при средней и максимальной дозах, что связано с высокой токсичностью данных доз растворимых солей свинца. В случае с нитратом и ацетатом свинца доля зеленых водорослей в составе I-месячного ЛЦС и видовое разнообразие в целом уменьшались прямо пропорционально токсической нагрузке (рис. 1, а). При максимальной дозе металла на «стеклах обрастания» были обнаружены единичные представители цианобактерий. При добавлении малорастворимых соединений свинца подобной тенденции не было выявлено: независимо от дозы всегда доминировали зеленые водоросли. После продолжительного культивиэоваиия (2 месяца) видовое разнообразие АЦС увеличивалось (рис. I, б), во всех опытах без исключения доминировали зеленые водоросли родов FJliplochhris, Bracleacoccus, Tetracystis, Chlamydomonas, Chlorella,

йрочцюсЫопь, \fychonastes и Соссотуха. Цианобактерии, если они и обнаруживались на «стеклах обрастания», имели низкие баллы обилия и степень доминирования не более 12%.

—ПЛЮ1И - • . плюсиоуиоо -*-|*ЖМВ ■ • •пиьсиин'пии

* гьэсм « м> —« гмем • пб

].

• * ■

—-1»----—-—,

р и

1м1--

(а)

Рис. 1. Влияние соединений свинца на индекс «вдового разнообразна Шеннона при 1 (а) и 2-х (б) месяцах культивирования АЦС: 0 - контроль. I - 100 мг РЫ кг почвы, 2 - 500 ыг РЪ/ а почвы. 3 - 1000 иг РЬ/ кг почвы

Спектр жизненных форм водорослей Увеличение вклада С- и СЬ-форм в спектр экобиоморф одномесячного АЦС наблюдалось по мере увеличения градиента концентрации свинца в ацетатной и нитратной формах, соответственно. Согласно Штиной и Голлсрбаху (1976), СЬ-форму составляют виды, способные вызывать «цветение почвы», отличающиеся исключительной выносливостью к различным экстремальным условиям, а также чрезвычайной конкурентоспособностью. С-форма включает виды водорослей с обильной слизью, способные легко переходить в пальмеллсвнднос состояние, за счет которого переживают неблагоприятные условия. Почвенные водоросли X-формы исчезали из состава I-месячного сообщества при максимальной дозе нитрата свинца и средней и максимальной ацетата свинца, что соответствует представлениям об их низкой устойчивости к экстремальным факторам среды. Таким образом, увеличение срока культивирования водорослей, как правило, приводило к повышению видового богатства АЦС, расширению спектра ЖФ водэрослей, что. вероятно, связано со снижением токсической нагрузки и адатгацией к ней сообщества, а также с достижением определенного количества клеток водорослей в почве и отсутствием иншбируюших биотических взаимодействий. Исходя из полученных данных, высокие дозы ацетата свинца оказывали самый сильный отрицательный эффект на формирование и таксономическую структуру I-месячного АЦС, культивируемого методом ЧК, по сравнению с другими соединениями металла. Возможно, имело место антагонистическое взаимодействие между грибами, потреблявшими доступное органическое вещество, и почвенными водорослями, котэрое было сведено к минимуму при 2-месячном сроке культивирования. Следует также отметить, что все опыты были заложены в период с апреля по июнь, и зависимости результатов эксперимента от сезона закладки опытов

I

I

обнаружено не было. Однако, хотелось бы подчеркнуть высокую вариабельность данных о видовом богатстве, разнообразии и обилии видов, что несомненно связано со сложностью устранения почвенной неоднородности при пробоподготовкс. Кроме того, на «стеклах обрастания» способно развиваться ограниченное количество видов водорослей, вследствие чего влияние соединений свинца иа видовой состав, обилие и спектр ЖФ не всегда четко прослеживается.

Глава 4. Оценка влияния свинца на почвенные во/доросли: метод водно-почвенных культур 4.1. Влияние свинца на состояние АЦС

Таксономическая структура и обилие водорослей. Всего в исследованных ВПК было обнаружено 22 вида водорослей и нианобактсрий из 19 родов, 8 порядков, 3 отделов. В целом, при внесении высоких концентраций растворимых солей свинца и экспозиции 1 месяц наблюдалось увеличение доминирования зеленых водорослей: Bracteacoccus minor (Chodat) Petrovä, Chlorosarcinopsis cf. eremi Chantanachat & Bold, Chlorella vulgaris Bcijcrinck и Chtamydomonas sd. Поступление доступного азота при внесении минимальной и средней доз ни-рата свинца оказывало благоприятное воздействие на АЦС и нивелировало токсическое действие металла: видовое разнообразие и богатство оставалось на уровне контроля (рис. 2, а). При внесении максимальной дозы - в составе сообщества присутствовали исключительно зеленые водоросли.

—»—ГЦЫОШ ■ ♦ - Лгоосооииих) —*—SäS"1 ■ • • rj^HKOOU-UOO

Рис. 2. Влияние соединений свинца на иилскс видового разнообразия Шеннона при 1 (а) и 2-х (б) месяцах культивирования АЦС: 0 - контроль. 1 - 100 мг РЪ/ кг почвы, 2 - 500 иг РЬ/ кг почвы. 3 - 1000 мг РЬ/ кг почвы

При добавлении ацетата свинца развивались способные к факультативной гетсротрофии цнанобактерин. однако при максимальном воздействии также преобладали зеленые водоросли. Малорастворимые соединения свинца не оказывали существенного воздействия на почвенные водоросли: состав АЦС был полно членным, разнообразие и обилие на уровне контрольных опытов без внесения свинца После 2-х месяцев экспозиции показатели видового богатства и разнообразия находились на уровне контрольных, или даже превышали их (рис. 2, б). Особенно высоки эти показатели при добавлении ацетатной формы свинца. В составе всех сообществ при разной степени токсической нагрузки

Объединение кармана и затвора МОПТ создает определенные трудности при проектировании топологии устройства. Технологии производства ИС предполагают изготовление ряда компонентов в одном кармане или в объеме подложки. Таким образом, необходимо обеспечить электрическую изоляцию четвертого терминала транзистора «Bulk» (карман) от подложки ИС. Для топологической реализации МОПТ с объединенными карманом и затвором, вносить изменения в технологический процесс нет необходимости. На сегодняшний день существует множество технологических процессов, предусматривающих различные типы электрической изоляции.

Наиболее подходящим типом изоляции является полная диэлектрическая изоляция. Примером технологического процесса производства ИС, удовлетворяющего этому требованию, являются КНИ-технологии с изоляцией

канавками (trench).

В третьей главе представлена эквивалентная схема МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом, предложена математическая модель прибора.

Существенным недостатком предложенного метода включения МОПТ, является то, что ряд известных компактных моделей третьего уровня МОПТ (mos903, bsim3v3, и т.д.) не учитывают физических эффектов, возникающих в транзисторной структуре при электрическом соединении затвора и кармана. Следовательно, для проведения автоматизированной разработки ИС эти модели не пригодны. Возникает необходимость разработки достоверной модели. Альтернативным решением этой задачи является определение эквивалентной электрической схемы, отражающей физические процессы, протекающие в структуре МОПТ, с электрически соединенными затвором и карманом.

Ток стока МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом сформирован двумя токами: током, протекающим в области канала, и током, протекающим в глубине кармана. Следовательно, эквивалентная схема МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом состоит из двух элементов, выходные токи которых формируют общий ток прибора

Lo,=h + h (!)

9

где imos - ток стока МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом; /, - компонента тока стока в области кармана МОПТ; i2 - компонента тока

стока в канальной области МОПТ.

Путем аппроксимации было установлено, что ток в глубине кармана экспоненциально зависит от напряжения на затворе, что характерно для биполярного транзистора. Ток в канале имеет квадратичную зависимость от напряжения на затворе, что характерно для полевого транзистора. Таким образом, приблизительная аналитическая зависимость тока стока,

определяющая упрошенную математическую модель МОПТ с электрически соединенными карманом и затвором от входного напряжения на затворе имеет вил

(2)

где и„ напряжение на затворе транзистора, В.

Следовательно, эквивалентная электрическая схема состоит из параллельно соединенных транзисторов: латерального биполярного и тюлевого транзистора с индуцированным каналом (рис. 6 а) Передаточные характеристики эквивалентной схемы и МОПТ в стандартном включении представлены на рис. 6 б.

а) б)

Рис. 6 а) Эквивалентная схема р-канального МОПТ с электрически соединенными карманом и затвором; б) передаточные характеристики эквивалентной схемы (I) и р-каналыюго МОПТ в стандартном включении (2)

Основная часть эквивалентной схемы латеральный биполярный и полевой транзисторы 02 и МЗ. которые описываются известными моделями, используемыми при разработке НС. Для проектирования эффекта изменения порогового напряжения эквивалентная схема дополнена источником напряжения смешения кармана МОПТ Уь. Следует отметить, что ширина каната в модели МОПТ МЗ И длина эмиттера модели латерального биполярного транзистора 02 численно равны ширине канала МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом.

В четвертой паве представлен операционный усилитель (ОУ), разработанный на МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом в

САПР Cadenee 1С, с использованием сертифицированных Spice-моделей и конструктивно-технологических требований технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.2S мкм кремниевой фабрики Freescale semiconductor.

На рнс. 7 представлена модель разработанного ОУ с применением р-канальных МОПТ. Для проведения схемотехнического моделирования ОУ, МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом в электрической схеме заменены на соответствующие эквивалентные схемы.

Рис. 7. Модель ОУ с применением р-канальных МОГГГ, с электрически соединенными карманом н затвором

Первый каскад усиления образован дифференциальной парой р-канальных МОПТ М4 и М7, включенных согласно предлагаемому способу (затвор каждого транзистора соединен с карманом). Выходной каскад выполнен по схеме rail-to-rail (транзисторы М9 и MIO), обеспечивающей широкий размах выходного сигнала.

Проблема высокого порогового напряжения отражается на двух характеристиках дифференциального усилителя: размах выходного сигнала и диапазон входного синфазного напряжения. Этот довод является ключевым в проведении измерений электрических характеристик представленного аналогового блока.

На рнс. 9 представлены частотные и переходные характеристики ОУ на МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом.

Рис.9 а) Характеристики ОУ на МОПТ. с электрически соединенными затвором и карманом: а) ФЧХ и АЧХ 6) переходные характеристики

Основные характеристики ОУ прототипа и ОУ на МО! 1Т, с электрически соединенными затвором и карманом представлены в сравнительной таблице

Сравнительная таблица характеристик разработанного ОУ н прототипа

№ т/п Матмснование параметра s = я ЕI M 11 О. с га X Характеристики новой схемы

1. Коэффициент усиления, дБ 27 35

2. Полоса пропускания <-ЗдБ), МГц 62 25

3. Запас по фа<с. (рал. 27 19

4. Ток потребления. мкА 142 145

5. Диапазон в>;. синфазного напряжения. В 0-1,1 0-1.3

6. Размах выходного напряжения. В 1.4 1.6

7. Размер топелогии, мкм х мкм 22.9x25.3 38.1x26.1

Использование МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом способствует расширению диапазона входного синфазного напряжения и размаха выходного сигнала. В то же время такие параметры, как полоса пропускания и запас по фазе несколько ухудшились. Тем не менее использование разработанного способа снижения порогового напряжения МОПТ показывает положительный результат. Следовательно, можно сделать вывод, что разработанный способ является перспективным для его применения в проектировании аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертации изложена научно-техническая разработка, обеспечивающая решение важной задачи - проектирования аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания.

В диссертации получены следующие научно-технические результаты:

1. Разработан способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет использования одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры.

2. Проведен анализ известных технологических процессов производства на предмет возможности изготовления ИС на МОПТ со сниженным пороговым напряжением, показавший необходимость применения технологических процессов с полной диэлектрической изоляцией.

3. Разработана эквивалентная схема МОПТ со сниженным пороговым напряжением, функционально представляющая собой параллельное соединение латерального биполярного и полевого транзисторов.

4. Разработан блок ОУ на МОПТ с электрическим соединением кармана и затвора по субмикронной технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.

5. Проведена апробация разработанного способа снижения порогового напряжения МОПТ при разработке схемотехнического и топологического решения аналогового устройства с низким напряжением питания на примере ОУ. На основании результатов апробации сделан вывод о состоятельности предложенного способа снижения порогового напряжения МОПТ для проведения разработки аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания.

6. Основные результаты диссертации, использованы при разработке интегральных схем в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, проводимых в ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы

в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Русанов, А. В. Влияние уменьшения напряжения питания на характеристики аналоговых блоков АЦП [Текст] / А. В. Русанов, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 1. - С. 74-76.

2. Русанов, А. В. Влияние уменьшения топологических норм на характеристики ИС [Текст] / А. В. Русанов, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7. - № 1.-С. 103-107.

3. Русанов, А. В. Методы проектирования аналоговых схем в КМОП технологиях с низким напряжением питания [текст] / А. В. Русанов, Ю. С. Балашов, В. А. Скляр // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 2. - С. 45-50.

4. Русанов, А. В. МОП-транзистор с управлением карманом и затвором одновременно [Текст] / А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - С. 151-154.

5. Русанов, А. В. Физические основы работы МОП-транзистора с управлением карманом и затвором одновременно [Текст] / А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8 - № 11. - С. 116-118.

Патентные документы

6. Свидетельство 2013630073 Российской Федерации. Интегральная микросхема биполярной МОП транзисторной структуры с низким напряжением питания [Текст] / В. А. Скляр, А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов. Заявка - №2013630028, заявл. 09 апреля 2013; зарегистр 30 мая 2013 г.

Статьи и материалы конференций

7. Русанов, А. В. Метод проектирования аналоговых схем с низким напряжением питания [Текст]/ А. В. Русанов, Д. Г. Харин, Ю. С. Балашов // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр; под ред. Г. Я. Шандурова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012.-453 с.

8. Русанов, А. В. Подложка транзистора как управляющий вход в субмикронных аналоговых схемах [Текст] / А. В. Русанов // Инновационные технологии и материалы: сб. тр. всерос. науч.-практ. конф. - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2011.- 161 с.

9. Русанов, А. В. Топологическое проектирование МОП-транзисторов с смещенной подложкой [Текст] / А. В. Русанов // Инновационные технологии и материалы в области электроники, приборостроения, машиностроения: сб. тр. регион, науч. конф. - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2012.-С. 155 - 157.

Учебные пособия

Ю.Балашов, Ю. С. Топологическое проектирование аналоговых устройств для 3D изделий [Текст]: учеб. пособие [Электронный ресурс] / Ю. С. Балашов, А. В. Русанов. - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2011. - электрон, опт. диск.

Методические указания

11. Методические указания к лабораторным работам № 1 - 4 по дисциплине «Системы проектирования РЭС в микроэлектронном исполнении» № 160 - 2010 [Текст] [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г. А. Кирпичев, А. В. Русанов, А. И. Мушта -Воронеж, 2010. - 39 е.- электрон, опт. диск.

12. Методические указания к лабораторным работам № 1 - 3 по дисциплине «Проектирование топологии аналоговых устройств УБИС» № 229 - 2011 [Текст] [Электронный ресурс] / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. А. В. Русанов, Ю. С. Балашов - Воронеж, 2011. -21 с. - электрон, опт. диск.

Подписано в печать 9.10.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов Усл. печ. л.1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 187

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14 14

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201364262

Русанов Александр Валерьевич

Проектирование аналоговых блоков интегральных схем с низким напряжением питания

Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.ф-м.н., проф. Балашов Ю.С.

Воронеж - 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ ИС С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ...............................................................................9

1.1 Тенденции развития микроэлектроники.....................................................9

1.2 Мощность рассеивания...............................................................................10

1.3 Аналоговые схемы в короткоканальных технологиях.............................12

1.3.1 Модуляция длины канала транзистора в субмикронных технологиях.....................................................................................................13

1.3.2 Проблема высокого порогового напряжения.....................................14

Выводы к главе 1...................................................................................................31

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ ПОРОГОВОГО НАПРЯЖЕНИЯ МОПТ........................................................................................33

2.1 МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом.................33

2.2 Физические явления и процессы в структуре МОПТ при электрическом соединении затвора и кармана..........................................................................38

2.3 Р-канальный МОПТ с электрическим соединением затвора и кармана 43

2.4 Физическая реализация МОПТ с электрическим соединением кармана и затвора.................................................................................................................47

Выводы к главе 2...................................................................................................52

ГЛАВА 3 МОДЕЛЬ МОПТ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ СОЕДИНЕННЫМИ ЗАТВОРОМ И КАРМАНОМ...............................................................................53

3.1 Общие сведения...........................................................................................53

3.2 Алгоритм разработки макромодели МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом...............................................................54

3.3 Вольт-амперные характеристики компонент тока...................................55

3.4 Аппроксимация зависимостей компонент выходного тока от напряжения на затворе......................................................................................59

3.4.1 Аппроксимация зависимости компоненты тока в глубине кармана

от напряжения на затворе..............................................................................59

3.4.2 Аппроксимация зависимости тока в канальной области от

напряжения на затворе...................................................................................61

3.5 Макромодель МОПТ с электрическим соединением затвора и

кармана................................................................................................................63

Выводы к главе 3...................................................................................................65

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА БЛОКА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОПТ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИ СОЕДИНЕННЫМИ

ЗАТВОРОМ И КАРМАНОМ...............................................................................66

4.1 Общие сведения о операционных усилителях..........................................66

4.1.1 Дифференциальный усилитель............................................................67

4.1.2 Выходной каскад ОУ.............................................................................69

4.3 Разработка операционного усилителя.......................................................70

4.3.1 Обоснование выбора технологического процесса.............................70

4.3.2 Описание протипа.................................................................................71

4.3.3 ОУ на МОПТ с электрически соединенными карманом и затвором...........................................................................................................73

4.3.4 Характеризация схем ОУ......................................................................74

4.3.5 Топологическое проектирование ОУ на МОПТ с электрически соединенными затвором и карманом...........................................................77

4.4 Анализ результатов......................................................................................78

Выводы к главе 4................................................................................................79

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ........................................................81

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................83

Приложение 1.........................................................................................................94

Приложение 2.........................................................................................................95

Приложение 3.........................................................................................................98

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Номенклатура современных полупроводниковых изделий очень разнообразна: от электронных компонентов (транзисторы, диоды и т.п.) до интегральных схем (ИС) с высокой степенью интеграции. На сегодняшний день, одними из наиболее востребованных являются ИС цифровой обработки сигналов - цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП).

Рост требований современной электронной индустрии к скорости обработки сигналов привел к появлению на рынке ИС АЦП с быстродействием более 200 MSPS. Столь высокие скорости выборок при приемлемом энергопотреблении обусловлены особенностями их схемотехники и передовыми технологиями изготовления ИС. Отечественная электронная промышленность обладает рядом таких технологических процессов (например, короткоканальные 180 и 90 нм технологические процессы ОАО «НИИМЭ и «Микрон»). Несмотря на это, существующий рынок АЦП в России представлен в основном зарубежными изделиями, причем даже в этом секторе доступ к скоростным АЦП ограничен. Имеющиеся решения в основном предназначены для применения в специальной аппаратуре, при этом разрабатываемые в последнее время АЦП в большей степени закрывают потребности в элементной базе, разработанной несколько лет назад, и не соответствует современным требованиям.

Основным сдерживающим фактором в развитии разработок отечественных высокоскоростных АЦП является дефицит теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях. Современные поколения технологических процессов предлагают низкое напряжение питания (1.8 В и менее), которого часто бывает недостаточно для достижения приемлемых технических характеристик аналоговой схемы.

Поэтому формирование теоретических основ проектирования аналоговых схем в короткоканальных технологиях является актуальной задачей.

Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода проектирования аналоговых блоков ИС с низким напряжением питания. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка способа снижения порогового напряжения МОП-транзистора (МОПТ), для обеспечения реализации аналоговых блоков ИС.

2. Разработка модели МОПТ со сниженным пороговым напряжением для проведения автоматизированного проектирования аналоговых ИС.

3. Разработка схемотехнического и топологического решения аналогового устройства на примере операционого усилителя с использованием МОПТ со сниженным пороговым напряжением.

Научная новизна. В диссертации получены следующие научно-технические результаты:

1. Впервые разработан способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры. Впервые разработано топологическое решение МОПТ со сниженным пороговым напряжением. Авторские права на разработанную топологию зарегистрированы в Роспатенте (свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2013630073)

2. Впервые разработана эквивалентная схема МОПТ со сниженным пороговым напряжением. Предложенная эквивалентная схема основана на учете одновременной работы двух физических эффектов: полевого и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры. Получена аналитическая зависимость тока стока МОПТ от входного напряжения.

3. На основе предложенного способа снижения порогового напряжения МОПТ впервые разработан блок операционного усилителя по субмикронной

технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.

Практическая значимость

1. Научное значение полученных результатов заключается в возможности создания аналоговых блоков ИС по современным субмикронным и глубоко субмикронным технологиям с низким напряжением питания с использованием стандартных библиотек технологических компонентов с эффективной схемотехнической реализацией.

2. Разработанный способ снижения порогового напряжения МОПТ имеет высокую практическую ценность для областей разработки и промышленного производства современных компонентов отечественной микроэлектронной базы за счет возможности простой реализации аналоговых устройств, повышения эффективности работы уже имеющихся схемотехнических решений, существенного сокращения временных затрат на этапах разработки, измерений и исследований.

3. Результаты диссертации использованы при разработки ИС приемника LVDS (low-voltage differential signaling - низковольтная дифференциальная передача сигналов), проектируемого ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

Значимость для учебного процесса.

Материалы диссертации используются в учебном процессе кафедры радиоэлектронных устройств и систем ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», учебных курсах теоретической и практической подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования систем в корпусе (SiP) и программе дистанционной подготовки/переподготовки специалистов в области проектирования 3D изделий наноэлектроники ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» совместно с «Роснано».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Способ снижения порогового напряжения МОПТ за счет одновременной работы полевого эффекта и паразитного латерального биполярного транзистора МОПТ структуры.

2. Эквивалентная электрическая схема МОПТ со сниженным пороговым напряжением, функционально представляющая собой параллельное соединение латерального биполярного и полевого транзисторов.

3. Блок операционного усилителя, разработанного по субмикронной технологии SMOS8MV с минимальными проектными нормами 0.25 мкм зарубежной полупроводниковой фабрики Freescale semiconductor.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях: всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2012), региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы в области электроники, приборостроения, машиностроения» (Воронеж, 2012), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии и материалы» (Воронеж, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной схемы. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [63, 92, 93] - проведение исследований, моделирование и анализ схемотехнических и топологических решений, [64, 65] -проведение расчетов, математическое моделирование, [74, 105] разработка топологии, [103, 104] анализ схемотехнических и топологических решений, [96 - 99] - подготовка разделов по проектированию топологии аналоговых схем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 105 наименования. Основная часть работы изложена на 98 страницах, содержит 55 рисунков и 5 таблиц.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ АНАЛОГОВЫХ ИС С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ

1.1 Тенденции развития микроэлектроники

Микроэлектроника - наиболее развивающаяся отрасль промышленности. Постоянное улучшение характеристик

полупроводниковых приборов, в течение 30 лет, привело к повышению степени интеграции (числа транзисторов на кристалле) более чем в 1600 раз и увеличению тактовой частоты микропроцессоров более чем в 3000 раз [1, 2]. Основой такого успешного развития микроэлектроники стала разработка принципов масштабирования физической структуры полупроводниковых приборов [1]. Справедливость этих суждений подтверждают данные об эволюции основных параметров процессоров Intel Pentium с 1993 по 2005 годы [3], представленные в табл. 1.1

Таблица 1.1

Эволюция процессоров Intel Pentium с развитием технологий производства ИС.

Технология, нм Напряжение питания, В Тактовая частота, МГц Площадь кристалла, мм2 Кол-во. транзисторов, млн. шт. Мощность тепловыделения, Вт . . .

800 5 66 294 3,1 16

600 3,3 100 148 3,2 10,1

350 3,3 300 203 7,5 43

250 3,3 450 118 9,5 27,1

180 1,8 1000 105 42 34

130 1,5 1400 80 55 32,2

90 1,5 3000 112 125 151,13

65 1,2 3600 81 188 116,75

Выделяют две основные тенденции при масштабировании МОПТ [1].

Первая, заключается в увеличении тока МОПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда паразитных емкостей. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения напряженности электрического поля в подзатворном окисном слое, поскольку плотность подвижного заряда в инверсионном слое пропорциональна напряженности электрического поля в оксидном слое.

Вторая — уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МОПТ, т.е. увеличения тока на единицу ширины канала с тем, чтобы обеспечить требуемый уровень рабочего тока.

1.2 Мощность рассеивания

Табл. 1.1 наглядно демонстрирует улучшение ряда важных параметров процессоров с эволюцией технологий производства. С другой стороны, отчетливо прослеживается тенденция увеличения мощности рассеивания.

Из-за постоянно возрастающей степени интеграции, мощность рассеивания единичного кристалла имеет тенденцию к увеличению, что ведет к серьезным тепловым проблемам и увеличению затрат на систему охлаждения конечной интегральной схемы. В тоже время, быстро растущий рынок портативной электроники, работающей от батарей (сотовый телефон, ноутбук и пр.), требует низкого потребления электроэнергии.

Выражение для мощности, рассеиваемой КМОП схемами, имеет вид

[2]:

где К - коэффициент переключения, Сь - общая емкость нагрузки, тактовая частота, 10яг - ток утечки в выключенном состоянии и Усо - напряжение питания. Первый член представляет рассеиваемую мощность в активном режиме, а второй — в холостом режиме. При масштабировании (уменьшении

физических размеров) КМОП приборов напряжение питания также уменьшают, чтобы обеспечить требуемые уровни надежности и рассеиваемой в активном режиме мощности. Снижение номинального напряжение питания ухудшает скоростные характеристики схем, но каждое новое поколение технологий предлагает расширенные характеристики приборов и возможностью увеличения параллелизма в логике, что вместе более чем компенсируют потери в скорости.

Уменьшение напряжения питания вызывает необходимость масштабирования порогового напряжения (УЛ), чтобы по возможности сохранить эффективное напряжение на затворе и тем самым обеспечить требуемый уровень тока и скорости переключения КМОП-схем. Однако уменьшение порогового напряжения может приводить к существенному возрастанию мощности, рассеиваемой в холостом режиме, что видно из выражения [4]

Ро// = 10/1 • V, = V, • /0 ехр(-<7 Ул / пкТ),

где 10 — подпороговый ток при напряжении на затворе У1(1, а У'Л — наихудшее значение порогового напряжения с учетом максимального сдвига из-за короткоканального эффекта и температуры.

Тенденции изменения напряжений питания и пороговых напряжений для нескольких поколений технологий представлены на рис. 1.1 [5 - 10]. Следствием указанных ограничений в масштабировании порогового напряжения является снижение эффективного напряжения на затворе (рис. 1.1), что вносит существенные трудности при разработке аналоговых схем.

д

о

2 Я

и 4>

й О

i § 2

W и

& о

а 9г1

S О

И С

— — —

j i "V

Vg= Vdd-Vth Nv

1 ■-■

*------*-*--*-А

Напряжение питания Пороговое напряжение

1 08 06 0.35 018 0.13

Длина канала транзистора в технологии, мкм

Рис. 1.1 Тенденции изменения напряжения питания и порогового напряжения при уменьшении минимального топологического размера различных технологических поколений [5-10]

На основании вышеизложенного, следует вывод, что эволюция технологий производства ИС имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Особенности работы цифровых устройств позволяют нивелировать недостатки низковольтных технологий, в то время как разработка аналоговых схем с приемлемыми характеристиками является весьма сложной задачей [11 - 17]. Косвенно, этот довод подтверждает современный рынок электронных компонентов. Производство современных цифровых схем ведется по глубокосубмикронным технологиям (менее 100 нм), в то время как ассортимент аналоговой электроники представлен схемами с более крупными топологическими нормами (600, 350 нм и пр.) [18, 19].

1.3 Аналоговые схемы в короткоканальных технологиях

Есть �