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國際固態電路會議上，英飛凌科技公司推出了一種創新電路工藝，能夠降低采用120nm和90nm CMOS工藝制造的電路的泄漏電流。該創新電路設計是眾多科學家、英飛凌公司通信事業部和慕尼黑科技大學密切合作的結晶，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（Christian Albrechts University of Kiel）合作的研究項目中，通過采用不同的電路工藝，實現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速度和低泄漏電流的晶體管。由于最小特征尺寸進一步縮小，導致晶體管泄漏電流增加，集成電路中的靜電耗散出現了異常激增。因此，降低泄漏電流已成為整個行業的焦點問題，也是微電子器件進一步微型化進程中遇到的最嚴峻的挑戰。創新技術與電路設計相結合是降低以現代CMOS工藝制造的電路的整體功耗的關鍵環節，雖然其不利影響是縮小最小特征尺寸。休眠晶體管設計是一種非常有效的抑制泄漏電流的電路工藝。其基本思路是當電路模塊沒有數據處理任務時，使晶體管進入泄漏電流極低的休眠狀態，從而暫時斷開其電源。在出現新的數據處理任務時，休眠晶體管會迅速接通電源，重新激活電路模塊。在生產中應用休眠晶體管的最大難題是如何選擇適當尺寸的休眠晶體管（即寬度、長度和布局），以避免在激活過程中明顯降低開關速度。

“我們開發的電路工藝特別適用于未來的移動應用，如基帶IC，因為它們可實現更長電池工作時間，而不受日益增加的芯片功能和晶體管數量的影響，”英飛凌公司研發部總監Roland Thewes博士表示。

研發人員還展示了兩個能夠同時實現高速處理和低泄漏電流的用于處理數字信號的內核模塊。慕尼黑科技大學設計的基于120nm CMOS工藝的16位乘加器模塊，可以最高達950 MHz的時鐘頻率運行，并且在待機模式下，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的全新細粒度休眠晶體管設計。慕尼黑科技大學低功耗項目的負責人Stephan Henzler強調說，“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計，并縮短斷電時間。”

采用英飛凌三井結構90nm CMOS工藝和高級芯片家族，生產了幾個最高時鐘頻率從500 MHz到2.5 GHz的32位加法器內核。待機模式下的泄漏電流降至最低值：10 nA，僅為當前電路的千分之一。此外，利用體偏置技術，可根據要求的電路運行模式，調節晶體管的臨界電壓。這種方式改善了運行模式下的開關電流，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和專用電路工藝，我們能夠開發一種合理的低功耗設計。第二個關鍵環節是在技術開發的早期，利用具有代表性的電路，對這些技術進行實驗驗證，”英飛凌科技公司研發部項目經理Christian Pacha博士解釋道。對于新近開發的65nm CMOS工藝，研究人員認為，在提高電路的堅固性，以便減少制造過程的影響和與技術相關的參數變化方面，仍有一些問題尚待解決。