先端先端 アナログ集積回路の課題と今後の展開アナ...
TRANSCRIPT
先端CMOSアナログ集積回路の課題と今後の展開先端CMOSアナログ集積回路の課題と今後の展開
大阪大学 谷口研二
概要Ⅰ.MOSFETを用いた増幅回路Ⅱ.高速アナログ回路設計のポイントⅢ.CMOSアナログ回路のレイアウト
常にMOSFET構造を意識しながら…..
CMOSによる回路実現を前提として….
Ⅰ.MOSFETを用いた増幅回路Ⅰ.MOSFETを用いた増幅回路
1. MOSFETの基本構造
2. MOS素子を用いた増幅回路
3. 増幅回路の周波数特性
4. 半導体ロードマップと新構造デバイス
1
3
10
200019901980
12V
5V
3.3V2.5V
1.8V
西暦(年)
電源電圧
(V)
CMOSアナログ回路の電源電圧の推移CMOSアナログ回路の電源電圧の推移
Dennard: 比例縮小原理 側壁酸化膜
素子間分離酸化膜
(ゲート電極)多結晶シリコン
低濃度不純物層
高濃度不純物層
ソース ドレイン
p型シリコン基板
1.MOSFETの基本構造1.MOSFETの基本構造
金属膜
p型シリコン基板
シリサイド
p型シリコン基板
p型シリコン基板
Al/Cu/Si
SiO2SiO2 W-plug
Al/Cu/Si
ドレイン電圧 VDS
ドレイン電流
I D
出力抵抗roと相互コンダクタンスgm出力抵抗roと相互コンダクタンスgm
( ) ( )
DGS
Dm
DDS
Do
DSTGSD
IdVdIg
IdVdIr
VVVI
β
λ
λβ
2
1
12
1
2
≈=
≈⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
+−=
−
VGS
ポイント: バイアス電流IDの関数
(アナログ回路にとって重要な2つのパラメータ)
p型基板
ソース ドレイン
すべての容量は電位に依存する
MOSFETの寄生容量MOSFETの寄生容量
(MOSFETの詳細な小信号モデル)
rogmvgs
いろいろな場所に寄生容量がある
?
チャネル幅Wの大きな素子→ ドレイン面積が大
Doxm ICL
Wg μ2=
--- 高速動作の鍵 ---①gmの大きな素子を用いる②負荷容量Coutを低減する
を大きくL
W
を大きくDI
チャネル幅Wの大きな素子のレイアウトチャネル幅Wの大きな素子のレイアウト
W
L
out
mu C
g=ω
消費電力と高速性とのトレードオフ
D
S
G
Coutgmvgs
S SDD SD SD
S SD DS
ドレイン容量が半分
回路の性能を上げる
4W
ドレイン領域を共通化して容量を下げる
W
L
p型基板
ソース ドレイン
MOSFETのデバイスパラメータMOSFETのデバイスパラメータ
mg
or
dsubgd CC ,高速応答性
増幅利得 omrgA→
Cgm
u →ω
まとめると….
5.1
3.0
≈
≈
gs
dsub
gs
gd
CCCC
dsubC
目安(最先端技術)
MOSFETの微細化MOSFETの微細化
素子の微細化によってgm, ro, Cはどのように変化するのか
ドリフト速
度(cm/sec)
印加電界(V/cm)
104103 105
107
106
素子が小さくなると….ドリフト速度の飽和素子が小さくなると….ドリフト速度の飽和
オームの法則適用領域
cmVm
V /1015.0
5.1 5=μ
速度飽和領域
素子内の平均電界
2)(2
TGSoxoDsat VVCL
WI
MOSFET
−= μ
長チャネル
ドレイン電圧 VD
ドレイン電
流I D
(VG-VT)2 に比例して増加する
2)(2
TGSoxoDsat VVCL
WI
MOSFET
−= μ
長チャネル
ドレイン電圧 VD
ドレイン電
流I D
ドレイン電圧 VD
ドレイン電
流I D
ゲート電圧に対してほぼ等間隔
(VG-VT)2 に比例して増加する
)](1[2)(
2
TGS
TGSoxoDsat VVL
VVCWI
MOSFET
−+−
=θ
μ
短チャネル
より一般的な式
VT VGS
gm
L 大
L 小
gmのゲート電圧依存性gmのゲート電圧依存性
):( 最大値一定oxsm WCvg =速度飽和領域
( )TGSm VVL
Wg −∝
微細MOSFETのgmはほぼ一定
GS
Dm V
Ig∂∂
≡
電気的特性のまとめ電気的特性のまとめ
DGS
Dm
DDS
Do
IdVdIg
IdVdIr
β
λ
2
11
≈=
≈⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
oxsGS
Dm
nDDS
Do
WCvdVdIg
IdVdIr
≈=
≈⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
−
λ1
1
長チャネルMOSFET 短チャネルMOSFET
n=0.8~0.5
ID に依存しない
Cgm
u →ωCgm
u →ω
ID に依存する
一定一定
微細化が鍵
MOSFETの非平衡輸送現象MOSFETの非平衡輸送現象
時間
電流
ソース電流
ドレイン電流
応答の時間遅れがある
究極の高速回路を設計を行う際に考慮すべきポイント
NQS(Non-Quasi-Static)効果NQS(Non-Quasi-Static)効果
MOSFETの非平衡輸送MOSFETの非平衡輸送
VD
ID
Time
Vg印加
分布定数回路
+ + + ++
MOSFETの非平衡輸送MOSFETの非平衡輸送
Time
Vg印加
NQSR
Cgs
簡易モデル
gsNQSCR
キャリア走行時間→ τ*
τ*
Cgs
Quasi Static
•低周波信号
Non-Quasi Static
•高周波信号
NQS(Non-Quasi-Static)効果のまとめNQS(Non-Quasi-Static)効果のまとめ
gsgsg vCq =
成されるに応じたチャネルが形gsv
に追随しないが gsg vq
)(信号遅延に追随しないが gsd vi
)(キャリア走行時間
がすぐに流れないdi
( )に近いオーダーTω
0.4 0.4 0.4
ゲート長
EOT
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2012
ゲート空乏
ゲートリーク
オフリーク
移動度増大
飽和速度増大
65 53 45 37 32 28 20
2.1 2.1 1.9 1.6 1.5 1.4 1.2
nmnm
0.8 0.7 0.7 0.7 nm
0.5 0.9 1.5 2.2 3.1 4.8 10 0.01A/cm2
10 15 20 25 30 40 60 pA/um
1.0 1.0 1.0 1.0 1.3 1.3 1.3
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
相対性能 1.17 1.42 1.64 1.88 2.39 2.64 4.10 基準2003年
半導体ロードマップ半導体ロードマップ
High k メタルゲート歪シリコン
FD-SOI
基板
多結晶シリコンゲート→ 金属ゲート(低抵抗)
ゲート酸化膜→ 高誘電膜(Cox up)
シリコン基板→ 歪Si基板( )upoμ
MOSFETの改良(手軽版)MOSFETの改良(手軽版)(2007年頃までに….)
遅延時間の短縮
反転電子数の増加
反転電子移動度の増加
テクノロジーブースター(Technology Booster)
なぜ金属ゲート?なぜ金属ゲート?
+ + + ++
多結晶シリコン膜
ゲート空乏化(0.3~0.6nm)
反転電子の量子化(0.4nm)
実効ゲート膜厚の減少
高濃度ドーピングが必要
EOT (Effective oxide thickness)→2nm
なぜ金属ゲート?なぜ金属ゲート?
+ + + ++
多結晶シリコン膜
反転電子の量子化
金属ゲート膜TiN, TaN, NiGe,HfN, NiSiなど
余分
Ta TaN
TaN
TaSiN
W
Mo
TiN
n+poly Si
p+poly Si
n-MOSFET
p-MOSFET
1. デュアルメタル2. シングルメタル3. シリサイド
P-MOS,n-MOS
Ec
Ev
なぜ高誘電膜?なぜ高誘電膜?
+ + + ++
多結晶シリコン膜
○実効ゲート膜厚の減少○ゲートリーク電流の減少(~1/500)
高誘電膜材料HfSiON, HfO2, HfAlOx, Al2O3など
高誘電膜の問題点高誘電膜の問題点
高誘電膜材料HfSiON, HfO2, HfAlOx, Al2O3など
3. 微量酸素雰囲気中の熱処理で低誘電率層がHigh-k/Si界面に
形成される。
防止策:バリア層(Si3N4, Al2O3)の使用
問題点1. 移動度の低下(50%~95%)
2. Boronの突き抜け(CVD堆積膜)
4. 高温熱処理が困難(アモルファス→結晶)
5. フェルミレベル・ピニング(しきい値が高め)
→ 金属ゲート材料
ひずみの印加方法
チャネル方向
GS D
1軸圧縮応力
l||
l0(=不変)
l⊥
2軸引っ張り応力
l||
l||
l⊥
Si原子
Ge原子l⊥
l||
SiSiGe SiGeソース ドレイン
l⊥
l||
Si
SiGe
〈110〉
SiGe
Si
ひずみSi
Ge
Si
・結晶構造・格子間隔
電子や正孔の移動度が大きい→ 電気が流れ易い
ひずみSi膜(Strained Si)ひずみSi膜(Strained Si)
ドレイン電圧 VD
ドレイン電
流I D
P型基板
P型基板
ソース ドレインSiGe層
飽和ドレイン電圧が低下
これが小さくできる低電圧動作可能
線形特性領域に差がみられる線形特性領域に差がみられる
ドレイン電圧 VD
ドレイン電
流I D 飽和特性領域では
ほとんど差がない
プロセス技術者と回路技術者と間の誤解プロセス技術者と回路技術者と間の誤解
回路を試作したが、そんな結果にならなかった
ひずみSi-MOSは電流駆動力がとても大きい
しきい値が同じなら…
プロセス屋
mg に関する見解の差
+ + + ++
多結晶シリコン膜
なぜ歪シリコン膜?なぜ歪シリコン膜?
Si/Ge
Ge, Si/Geなど基板材料の変更
問題点○特性のばらつき(製造歩留まり)
○反転電子の飽和速度は?(移動度は大だが、飽和速度はほとんど変わらない?)
高ストレス膜
欠陥密度不純物原子の異常拡散
将来の新構造デバイス
1. SOI MOSFET
2. ソース・ドレイン領域を工夫したデバイス
3. マルチゲート構造
酸化膜
酸化膜
Si
Si
水素イオン注入層
ウエハ貼り合せ
SOI-MOSFETの作り方SOI-MOSFETの作り方
ウエハ2枚
Smartcut熱処理
埋め込み酸化膜
Si
Silicon on insulator
n-ウエル
p型基板
シリサイド
トレンチ分離
n-MOSFET p-MOSFET
埋め込み酸化膜
シリコン基板
SOI膜領域
SOI-MOSFETの占有面積は小さい(1)(素子間分離が容易)
Latch-up freeマスク枚数減
ウエル
VDD VSS入力
出力
SOI基板
Si基板
SOI-MOSFETの占有面積は小さい(2)(ウエルが不要)
SOI 高密度化が可能
I DS
VGS
SOI-MOSFETの電流駆動力SOI-MOSFETの電流駆動力
バルクMOSFET
埋め込み酸化膜
SOI-MOSFET
0
埋め込み酸化膜
バルクMOSFET SOI-MOSFET
SOI-MOSFETはドレイン容量が小さい(高速動作に適している)
SOI-MOSFETはドレイン容量が小さい(高速動作に適している)
ドレイン容量2SiO
Dox
SOI
tSC
Dε=
Si
DSi
BulkD d
SC ε= >
Ⅱ.高速アナログ集積回路設計のポイントⅡ.高速アナログ集積回路設計のポイント
1.素子のマッチング(入力差動対)
2.オペアンプの最大GBWについて
3.PSRR(Power Supply Rejection Ratio)差動入力対カレントミラー回路
1.MOS素子のマッチング1.MOS素子のマッチング
( )22 TGSD VVI −=β
1.素子特性のミスマッチの要因
○系統的に特性がばらつく
○ランダムな統計的ばらつき
2.ミスマッチを軽減する方法
7°オフ方向
Si結晶をこの方向
から見たとき
レイアウトのポイント電流の方向と対称線を並行にする
斜めS/Dイオン注入によりCGDが大きく異なる
斜めイオン注入(7°off)
イオン注入工程: ミスマッチイオン注入工程: ミスマッチ
可
不可
ゲート電極
不可
S SD D
gmが異なる
ランダムな統計的ばらつきランダムな統計的ばらつき
不純物原子数のゆらぎが原因
移動度μのばらつきが最大原因
K.R.Laksmlkumar, R.A.Hadaway, and M.A.Copeland,”Characterization and Modeling of Mismatch in MOS transistors for Precision Analog Design,” IEEE Journal of Solid State Circuits, SC-21, 1057 (1986).
M.J.M.Pelgrom, A.C.J.Duinmaijer, and A.P.G.Welbers,”Matching Properties of MOS transistors,”IEEE Journal of Soilid-State Circuits, SC-24, 1433 (1989)
( )
VALWtAV
mALWA
tL
WC
VVI
VTox
VTT
oxox
TGSD
1
%2
,
22
=≈Δ
=≈Δ
=
−=
μ
μパターン寸法、μ
ββ
ββ
β
β
P型基板
酸化膜
拡大図
ソース ドレイン
SiO2
Si
界面準位
酸素原子
シリコン原子
(ランダムに発生)
β値ばらつきの微視的な原因β値ばらつきの微視的な原因
(もちろんリソグラフィによるパターンのばらつきもあるが…)
雑音の原因f1
MOSFET対の精度MOSFET対の精度
基板
- --- - - - - - -
- - - -
-
-- -
- - -
電流ミラー回路差動入力対
G G
(MOSFET対のマッチング)
ゲート電極をはずしてみると…. ][ 2μmLW
][mV
しきい値
ばらつきの
標準
偏差
1 5 10 50
1
5
LW を大きくすると
ΔVT は小さくなる
L
しきい値ばらつきのゲート面積依存性しきい値ばらつきのゲート面積依存性
LWtAV ox
VTT ≈Δ
基板
- --- - - - - - -
- - - -
-
-- -
- - -
しきい値のばらつき---統計的な不純物原子数のゆらぎ---
しきい値のばらつき---統計的な不純物原子数のゆらぎ---
VAVT 1=
LWtA
CQ
V oxVT
ox
deplT ≈
Δ=Δ
T.Mizuno, J.Okamura and A.Toriumi,”Experimental study o f threshold voltage fluctuation due to statistical variation of channel dopant number in MOSFETs,”IEEE Trans. On Electron Devices, ED-41, 2216 (1994)
mVVnmtmWL
T
ox
205,25.0
=Δ=== μ
Bias
VI1 VI2
入力オフセット電圧を小さくするには入力オフセット電圧を小さくするには
VALWtAV
VT
oxVTT
1≈
=Δ
入力差動対
面積(LW)が一定の下
W/Lを大きくする→ VGS-VT が小さくなる
ゲート面積LWを大きくする→ ΔVTが小さくなる
( ) ( )
( ) ( )ββ
ββ
2
22
21
222
2211
1
Δ−−Δ≅−≡Δ
−=−
TGSTGSGSost
TGSTGS
VVVVVV
VVVV
M1 M2
Bias
VGS1 VGS2
M1, M2に同一電流が流れる条件
オフセット電圧の低減法オフセット電圧の低減法
VGS(V)VT
ΔID
ID
43210βのばらつき
しきい値VTのばらつき
カレントミラー回路の電流ミスマッチの低減法カレントミラー回路の電流ミスマッチの低減法
しきい値VTとβ値の双方が影響する
( )
22
2
4
2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
Δ=
Δ
−=
ββ
β
TGS
T
D
D
TGSD
VVV
II
VVI
I1 I2
電流ミスマッチを小さくするには(2)電流ミスマッチを小さくするには(2)
VGS(V)VT
ΔID
ID
43210βのばらつき
しきい値VTのばらつき
Lを大きく、Wを小さくする
LWCoxμβ =
この辺りを使う
オーバードライブ電圧大きくする
Iref
面積(LW)が一定の下
RgIIRIgI mD
DDmD =
Δ→=Δ
R
カレントミラー回路の配置法(1)カレントミラー回路の配置法(1)
回避策
不可 可
カレントミラー回路の配置法(2)カレントミラー回路の配置法(2)
近距離
Decoupling キャパシタ(高周波回路では必須)
電流分配
長距離
電圧分配
2. オペアンプの最大GBWについて2. オペアンプの最大GBWについて
与えられたTechnologyの下で….最高速オペアンプを実現するには
MOSFETの遮断周波数MOSFETの遮断周波数
ioutiin
iout
Cgd
Cgs
gmvin
ro
gs
m
gdgs
mT
in
out
Cg
CCg
ii
3.11 =
+≈→= ω
( ) ingdgsin vCCji += ω
( ) ingdmout vCjgi ω−=
iin
3.0≈gs
gd
CC
Q
( )TT fπω 2=
一般に….
AVDD
Vin1 Vin2
output
・出力ポール(p1)・ミラーポール(p2)
A点の容量 dsubgdgs CCC ++2
4.22
3.122
Tp
gs
dsub
gs
gd
Tp
dsubgdgs
m
CC
CCCCC
gpωω
≈++
=++
=
3.075.05.1≈
gs
dsub
CC
S SD
S D
p1
AVDD
VI1 VI2
output
0
-20dB/dec開ループ利得
帯域
Ao
周波数
利得・帯域幅(GBW)
1p GBWp 22 ≈
522
maxTppGBW
ω≈=
注意: GBWはカレントミラーMOSFETできまる
4.22Tpp
ω≈
位相余裕を考えると….
GHzGHzGBW
Tp 52)2(1max
×≈=πω
πQ p1
322
maxTpApGBW
ω≈=
1.23.1
2Tp
Apω
=
GHzGHzGBW
Tp 527.1max
×≈=πωQ
A
pチャネルMOSFETのミラーポールを回避するgsC 一つ分少ない
522
maxTnBpGBW ω
≈=
R 4.22Tn
Bp ω=
GHzGHzGBW
Tn 1523max
×≈=πωQB
pチャネルMOSFETをバイパス
R
VCMVCM
さらに大きなGBWを得るには….さらに大きなGBWを得るには….(信号経路にカレントミラーを避ける)
outputoutput
Bias
Bias
4.PSRR(Power Supply Rejection Ratio)を確保するには4.PSRR(Power Supply Rejection Ratio)を確保するには
高周波領域では寄生容量が問題
inv outv
雑音の重畳
Decoupling capacitor 高速アナログ回路
VDD
VSS
高速アナログ回路では必須
ICチップ
PSRR (Power Supply Rejection Ratio)
Bias
Bias Bias
CMFBVDD
Cout Cout
+inV −
inV+
outV −outV
C
m
Cg
freqgainUnity 1.
out
m
CgpoleNon 3.
CC M1
M3
I1
安定動作:出力段の電流→大
・高速動作→消費電力大・PSRRが悪い
一般的な全差動オペアンプ一般的な全差動オペアンプ
準備運動準備運動
mm gr
g1//1
0 ≈
rodsmvg
dsv
視点
準備運動準備運動
mm gr
g1//1
0 ≈
Bias
or≈
roro 0=gsmvgdsmvg
dsv dsv
視点
VDD
VSS
iout
o
DDGSmout
DDom
DD
mo
mGS
rvvgi
vrg
v
gr
gv
≈=
≈+
=1
1
1低周波
bias
カレントミラー回路カレントミラー回路
or
mg1
GSv
対策: 出力抵抗を大きくして
電源電圧変動の影響を抑制する
or
mg1
vDD
GSv
VDD
Cdsub
VSS
ro
CGS
iout
DDGS
dsubmGSmout
DDdsubGS
dsubGS
vCCgvgi
vCC
Cv
≈=
+=
高周波
高周波帯域で使用する際、意図的に大きなCGSを付加する→ 大きなゲート面積のMOSFET
カレントミラー回路カレントミラー回路
GSv
dsubGS CC >>
VDD
M1
M4iout
DDoo
out vrr
i ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+≈
41
11
低周波
差動アンプ差動アンプ
対策: 出力抵抗を大きくして
電源電圧変動の影響を抑制する
VDD
M1
M4
iout
( ) DDdsubdsubout vCCji 14 +≈ ω
Cdsub4
Cdsub1
高周波
対策: ドレイン容量を小さくして
電源電圧変動の影響を抑制する
S SD DS
VDD
VSS
vout
CL
DDout vv ≈高周波領域ではCCは短絡と同じ
CC
固定
出力段を接続すると出力段を接続すると
Bias位相補償用キャパシタ
Bias
I
VDD
Bias
CC
ICdsubDD
C
dsubout
DDdsuboutC
vC
Cv
vsCvsC
=
=
outv
高周波領域では….
電流バッファを挿入電流バッファを挿入
S SD
CC 位相補償用キャパシタ
電流バッファ
Bias
CMFBVDD
CL CL
+inV −
inV+outv −
outv
C
mu C
g 1=ω
L
m
Cgp 3
22
=
CC M1
M3
CMRR ◎PSRR ◎
全差動構成だと….全差動構成だと….Ⅲ.高速アナログ集積回路のレイアウトⅢ.高速アナログ集積回路のレイアウト
1. 磁場結合による雑音
2. 基板抵抗結合による雑音
磁場結合による雑音インダクタンス(L)の物理的意味を理解する
磁場結合による雑音インダクタンス(L)の物理的意味を理解する
磁場
磁場
電流
JHrot =
電磁誘導とは電磁誘導とは
dtdIMV 1
212 −=
原因
I1
tHErot∂∂
−= μ ループ面積に比例
結果
2V
自然の摂理:磁場は現状維持するように振舞う
相互インダクタンス
電磁誘導(L)による雑音電磁誘導(L)による雑音
I(t)
時間(t)
電流
, 電圧
I(t)V(t)
信号線
CLK
磁束
dttdIMtV )()( −=
直線配線でも発生する
磁場: 変化しないように振舞う
電流を流すと….配線の周囲に磁場を撒き散らす
逆方向電流によるインダクタンスの低減効果
.
逆方向電流によるインダクタンス逆方向電流によるインダクタンス逆方向電流: 周囲に磁場を撒き散らさない
VDD VSS
電源線と接地線は一緒に配線する(ループ面積を小さくする)
差動信号線は隣接させる(ループ面積を小さくする)
信号ライン(+) 信号ライン(-)
電磁誘導を軽減
電磁誘導を抑えるには電磁誘導を抑えるには
ループ面積
電流経路
磁場のばら撒きを抑えて
磁場変動に対する感受性を小さくする
ディジタル回路部
CLK
アナログ回路部
誘電体?
抵抗体?シリコン基板
信号の伝達
基板抵抗結合による雑音基板抵抗結合による雑音
Sl S
lR ρ=lSC ε=
SlR ρ=
lSC ε=
ρεω 11
=>RC
ρεω 11
=<RC
10-2
100
102
)cm(Ωρ )GHz(tf15000
150
1.5
ft 以下の周波数では
シリコン基板:→ 抵抗体
基板(経由)雑音について基板(経由)雑音について
n-ウエル
電流電位変動を誘起
VDD
雑音源
アナログ回路ブロック
雑音経路の遮断方法(ガードリング)
雑音経路の遮断方法(ガードリング)
n-ウエル
電流
VDD
雑音源
基板電位は固定
ガードリング(基板と同じ導電型でおこなう)
VDD
アナログ回路ブロック
ガードリングの配置ガードリングの配置
ディジタル部 アナログ部
ディジタル部 アナログ部
n-Si
n-Si
このやり方では不十分
同電導型の拡散層を用いる
p+
n+
ディジタル部 アナログ部
ディジタル部 アナログ部
n-Si
n-Si
(高周波 → 低インピーダンス)
同電導型の拡散層を用いる
p+
n+
LPF
低抵抗
雑音源(バケツからの水)
N-well
P-sub.
VSS
排水溝効果(基板ノイズ除去効果あり)
VDD
基板ノイズの抑制基板ノイズの抑制
空乏層(容量)
VSSドレイン
(電位変動大)
CLK
N-well
P-sub.
VDD
浮島現象
ウエル構造の基板ノイズの除去効果ウエル構造の基板ノイズの除去効果
空乏層(容量)
なしの雑音に対しては効果RC1
>ω
R
C
CHPF
ウエル内の回路の帯域制限が重要
お疲れ様でした