Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen. Roland Pfeiffer 25. Vorlesung

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1 Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen 25. Vorlesung

2 Einführung 1. Vorlesung 8. Vorlesung: Inverter-Verstärker, einige Differenzverstärker, Miller-Verstärker 9. Vorlesung: Miller-Verstärker als Subcircuit 10. Vorlesung: Temperaturanalyse 11. Vorlesung: Rausch-Analyse 12. Vorlesung: Fourier-Analyse 13. Vorlesung: Einfluß des Layouts auf analoge Schaltungen 14. Vorlesung: Monte-Carlo-Analyse, Worst-Case-Analyse 15. Vorlesung: Transfer-Analyse, Sensitivity-Analyse 16. Vorlesung: Parameter-Analyse 17. Vorlesung: ABM-Bauelemente 18. Vorlesung: Transmission Line 19. Vorlesung: Oszillator-Schaltungen 20. Vorlesung: Abändern von Bauteilen 21. Vorlesung: Optimizer zur Schaltungs-Optimierung 22. Vorlesung: Smoke zur Schaltungs-Stress-Analyse 23. Vorlesung: Sample-and-Hold-Schaltung 24. Vorlesung: PSPICE und Systemtheorie 25. Vorlesung: Zukünftige analoge CMOS-Schaltungen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 2

3 Überblick Technologie Überblick Technologie: =Gatelänge Unterschied? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 3

4 Überblick Technologie Unterschied: nominal feature size - gate length bis 1997: Gatelänge als Definition Technology node seit 1997: nominal feature size als Definition Technology node nominal feature size = half pitch als Technology node definition aber Gatelänge < nomimal feature size!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 4

5 Überblick Technologie Technology Nodes für verschiedene Bereiche seit 2006: nominal feature size (half pitch) und Gatelänge als Definition Technology node für verschiedenen Bereiche Analoge CMOS-Schaltungen Folie 5

6 Überblick Technologie Unterschied: printed - physical gate length printed gate length : physical gate length: minimale gezeichnete Gate Länge effektive Gate Länge je kleiner printed gate length wird, desto größer der Unterschied (prozentual) printed gate length - physical gate length Grund unter anderem: Unterdiffusion printed gate length physical gate length Analoge CMOS-Schaltungen Folie 6

7 Probleme Technologie Probleme Technologie: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 7

8 Moore's Gesetz Moore's Gesetz: Verdoppelung Transistoranzahl/2Jahre Analoge CMOS-Schaltungen Folie 8

9 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) Probleme Analog-Schaltungen: Analoge CMOS-Schaltungen Folie 9

10 Probleme Analog-Schaltungen: andere MOS-Transistoren an den Ein/Ausgängen als in Rest-Schaltung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 10

11 Lösungen Analog-Schaltungen: andere MOS-Transistoren an den Ein/Ausgängen als in Rest-Schaltung Problem: größere Drain-Spannungfestigkeit Lösung: LDMOS-Transistor durch ν-zone erhöhte Spannungsfestigkeit Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor = LDMOS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 11

12 Probleme Analog-Schaltungen: equivalente physikalische Gate Oxid Dicke: umgerechnet auf SiDioxid Analoge CMOS-Schaltungen Folie 12

13 klassische Physik: dünne Wand Quanten-Physik (sehr kleine Teilchen): Wahrscheinlichkeit für Durchtunneln gegeben!! Tunnelstrom durch dünne Oxidschicht Analoge CMOS-Schaltungen Folie 13

14 Probleme Analog-Schaltungen: Ladungsträger tunneln kleinere Gatelänge durch high-k Materialen? high-k Materialen = erhöhte relative Permittivität ε R Analoge CMOS-Schaltungen Folie 14

15 Probleme Analog-Schaltungen: kleineres T OX high-k Materialen für Oxid (z.bsp. Hafnium-Dioxid) kleinere Gatelänge durch high-k Materialen? Technologie Analoge CMOS-Schaltungen Folie 15

16 Analoge CMOS-Schaltungen Folie 16

17 Probleme Analog-Schaltungen: größere Analog-Leistung bei geringere Versorgungsspannung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 17

18 Probleme Analog-Schaltungen: intrische Verstärkung: Verstärkung des Transistor ohne externe Beschaltung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 18

19 Forderung: mehr Drainstrom Lösungen (Analog-)Schaltungen: Forderung: mehr Drainstrom bei gleichen Gate-Source-Spannung größeres g M größere Beweglichkeit I DS gleiches U GS größere Beweglichkeit U DS Analoge CMOS-Schaltungen Folie 19

20 Lösungen Technologie: eine von vielen Lösungen Technologie: Gitterkonstante von Si gegenüber SiGe unterschiedlich (Si < SiGe ) um 4,2 % mechanische Spannung durch größeres Gitter größere Beweglichkeit größere Beweglichkeit Zeichnung nicht maßstäblich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 20

21 Lösungen Technologie: eine von vielen Lösungen Technologie: Gitterkonstante von Si gegenüber SiGe unterschiedlich (Si < SiGe) größere Beweglichkeit Zeichnung nicht maßstäblich Analoge CMOS-Schaltungen Folie 21

22 Lösungen Technologie: Gitterkonstante von Si gegenüber SiGe unterschiedlich (Si < SiGe) mechanische Spannung durch größeres Gitter größere Beweglichkeit Analoge CMOS-Schaltungen Folie 22

23 unterschiedliche Anforderungen für Elektronen und Löcher: uni-axial: nur in einer Richtung bi-axial: in zwei Richtungen in-plane out-of-plane in-plane parallel senkrecht zur Stromrichtung Analoge CMOS-Schaltungen Folie 23

24 unterschiedliche Verfahren für NMOS und PMOS: SiGe Source/Drain Si-Nitride Kappe Analog-Eigenschaften?? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 24

25 Lösungen Analog-Schaltungen: anderer MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse), auch Double-Gate-FinFet, Tri-Gate-Transistor Aufbau: auf einer Oxidschicht wird eine dünne Schicht Silizium abgeschieden, die durch ein Gate-Material umgeben ist durch erhöhten Gate-Zugriff bessere Analog-Eigenschaften?? Source/ Drain Oxid Analoge CMOS-Schaltungen Folie 25

26 Lösungen Analog-Schaltungen: anderer MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse), auch Double-Gate-FinFet, Tri-Gate-Transistor Analoge CMOS-Schaltungen Folie 26

27 Lösungen Analog-Schaltungen: anderem MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse) g M ungefähr gleich g o (FinFet) > g o (Planar) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 27

28 Lösungen Analog-Schaltungen: anderem MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse) g M /g o (FinFet) > g M /g o (Planar) Analoge CMOS-Schaltungen Folie 28

29 Lösungen Analog-Schaltungen: anderem MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse) LNA 5 GHz LNA FinFet besser als Planar Analoge CMOS-Schaltungen Folie 29

30 Lösungen Analog-Schaltungen: anderem MOS-Transistor: FinFet (fin = Flosse) VCO 5 GHz VCO FinFet gleich Planar Analoge CMOS-Schaltungen Folie 30

31 Probleme Analog-Schaltungen: 1/f-Rauschen sinkt bei sinkender Gatelänge Widerspruch Analoge CMOS-Schaltungen Folie 31

32 Lösungen Analog-Schaltungen: Erweiterung MOS-Transistor: Field-Plate Aufbau: durch die Field-Plate wird das E-Feld reduziert, Stromfluß nicht an der Grenzfläche Si/SiO 2 1/f-Rauschen reduziert? Analoge CMOS-Schaltungen Folie 32

33 Lösungen Analog-Schaltungen: Erweiterung MOS-Transistor: Field-Plate 1/f-Rauschen Analoge CMOS-Schaltungen Folie 33

34 Lösungen Analog-Schaltungen: Erweiterung MOS-Transistor: Field-Plate VCO 12 GHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 34

35 Lösungen Analog-Schaltungen: Erweiterung MOS-Transistor: Field-Plate Phase Noise VCO 12 GHz Analoge CMOS-Schaltungen Folie 35

36 Probleme Analog-Schaltungen: höhere Grenzfrequenzen kommen automatisch bei kleinere Gatelänge Technologie Analoge CMOS-Schaltungen Folie 36

37 Lösungen Analog-Schaltungen: Kombination von Erweiterungen MOS-Transistor: LDMOS + Strained-Si Analoge CMOS-Schaltungen Folie 37

38 Zusammenfassung -zukünftige analoge Schaltungen -ITRS-Roadmap bezüglich analoger Schaltungen -Lösungen der Technologie: - LDMOS - strained-material - FinFET - Field-Plate - noch vieles im Analogbereich unerforscht!! Analoge CMOS-Schaltungen Folie 38

39 Literaturverzeichnis ITRS Roadmap S.E. Thompson et al.: A 90-nm Logic Technology Featuring Strained-Silicon, IEEE Transactions on Electron Devices, November 2004 S.E. Thompson et al.: In Search of Forever, Continued Transistor Scaling One New Material at a time, IEEE Transactions on Semiconductor Manufactoring, Februar 2005 P.A. Gargini: The Global Route to Future Semiconductor Technology, IEEECircuits and Device Magazine, März 2002 V. Subramanian et al.: Planar Bulk MOSFETs Versus FinFets: An Analogue/RF Perspective, IEEE Transactions on Electron Devices, Dezember 2006 C.-C. Wie et al.: High-Linearity Peformance of 0.13-µm CMOS Devices Using Field-Plate Technology, IEEE Electron Devices Letters, Oktober 2006 C.-C. Wie et al.: A 12-GHz Low-Phase-Noise Voltage-Controlled Oscillator Using Field-Plate CMOS Transistors, IEEE Transactions on Electron Devices, Oktober 2007 M. Kondo et al.: Strained-Sicilon MOSFETS for Analog Applications: Utilizing a Supercritical- Thickness Strained Layer for Low Leakage Current and High Breakdown Voltage, IEEE Transactions on Electron Devices, Mai K. Hoffmann, System-Integration, Oldenbourg Verlag Analoge CMOS-Schaltungen Folie 39

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