英飛凌推出全新低功耗電路工藝,大幅降低泄漏電流

在舊金山召開的2005年IEEE國際固態(tài)電路會議上，英飛凌科技公司推出了一種創(chuàng)新電路工藝，能夠降低采用120nm和90nm CMOS工藝制造的電路的泄漏電流。該創(chuàng)新電路設(shè)計(jì)是眾多科學(xué)家、英飛凌公司通信事業(yè)部和慕尼黑科技大學(xué)密切合作的結(jié)晶，最多可使泄漏電流降低三分之一。在另一個與德國基爾大學(xué)（Christian Albrechts University of Kiel）合作的研究項(xiàng)目中，通過采用不同的電路工藝，實(shí)現(xiàn)了高速和低功耗的最佳組合。

采用100 nm以下的CMOS工藝很難制造同時具備高開關(guān)速度和低泄漏電流的晶體管。由于最小特征尺寸進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致晶體管泄漏電流增加，集成電路中的靜電耗散出現(xiàn)了異常激增。因此，降低泄漏電流已成為整個行業(yè)的焦點(diǎn)問題，也是微電子器件進(jìn)一步微型化進(jìn)程中遇到的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。創(chuàng)新技術(shù)與電路設(shè)計(jì)相結(jié)合是降低以現(xiàn)代CMOS工藝制造的電路的整體功耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然其不利影響是縮小最小特征尺寸。休眠晶體管設(shè)計(jì)是一種非常有效的抑制泄漏電流的電路工藝。其基本思路是當(dāng)電路模塊沒有數(shù)據(jù)處理任務(wù)時，使晶體管進(jìn)入泄漏電流極低的休眠狀態(tài)，從而暫時斷開其電源。在出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)處理任務(wù)時，休眠晶體管會迅速接通電源，重新激活電路模塊。在生產(chǎn)中應(yīng)用休眠晶體管的最大難題是如何選擇適當(dāng)尺寸的休眠晶體管（即寬度、長度和布局），以避免在激活過程中明顯降低開關(guān)速度。

“我們開發(fā)的電路工藝特別適用于未來的移動應(yīng)用，如基帶IC，因?yàn)樗鼈兛蓪?shí)現(xiàn)更長電池工作時間，而不受日益增加的芯片功能和晶體管數(shù)量的影響，”英飛凌公司研發(fā)部總監(jiān)Roland Thewes博士表示。

研發(fā)人員還展示了兩個能夠同時實(shí)現(xiàn)高速處理和低泄漏電流的用于處理數(shù)字信號的內(nèi)核模塊。慕尼黑科技大學(xué)設(shè)計(jì)的基于120nm CMOS工藝的16位乘加器模塊，可以最高達(dá)950 MHz的時鐘頻率運(yùn)行，并且在待機(jī)模式下，泄漏電流僅為20 nA。在ISSCC上，還展出了基于該乘加器模塊而開發(fā)的全新細(xì)粒度休眠晶體管設(shè)計(jì)。慕尼黑科技大學(xué)低功耗項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人Stephan Henzler強(qiáng)調(diào)說，“由于泄漏電流對電路裝置的影響變得越來越重要，更小的功能模塊也將采用休眠晶體管設(shè)計(jì)，并縮短斷電時間。”

采用英飛凌三井結(jié)構(gòu)90nm CMOS工藝和高級芯片家族，生產(chǎn)了幾個最高時鐘頻率從500 MHz到2.5 GHz的32位加法器內(nèi)核。待機(jī)模式下的泄漏電流降至最低值：10 nA，僅為當(dāng)前電路的千分之一。此外，利用體偏置技術(shù)，可根據(jù)要求的電路運(yùn)行模式，調(diào)節(jié)晶體管的臨界電壓。這種方式改善了運(yùn)行模式下的開關(guān)電流，并最多可使時鐘頻率提高30％。

“具體而言，就是通過組合不同的可用技術(shù)和專用電路工藝，我們能夠開發(fā)一種合理的低功耗設(shè)計(jì)。第二個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是在技術(shù)開發(fā)的早期，利用具有代表性的電路，對這些技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，”英飛凌科技公司研發(fā)部項(xiàng)目經(jīng)理Christian Pacha博士解釋道。對于新近開發(fā)的65nm CMOS工藝，研究人員認(rèn)為，在提高電路的堅(jiān)固性，以便減少制造過程的影響和與技術(shù)相關(guān)的參數(shù)變化方面，仍有一些問題尚待解決。