Высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи на КМОП-транзисторах и подложках «Кремний на изоляторе»

УДК 681.324.687

ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА КМОП-ТРАНЗИСТОРАХ И ПОДЛОЖКАХ «КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ» С.И. Рембеза, В.С. Кононов

Рассмотрены технологии двух типов и их модификации с учетом специфики КМОП-АЦП на КНИ-подложках. Определены основные типы архитектур и схемотехнические особенности высокоскоростных КМОП-АЦП. Показано, что наиболее перспективными для построения КМОП-АЦП на КНИ-подложках являются складывающая и конвейерная архитектуры

Ключевые слова: кремний на изоляторе, КМОП, АЦП

В последние годы наблюдается заметное возрастание требований к характеристикам КМОП-микросхем, которые доминируют в современной элементной базе.

В специальной аппаратуре применение обычных КМОП-микросхем на объемном кремнии нежелательно, а в некоторых случаях даже опасно. Такие микросхемы имеют

высокую чувствительность к воздействию стационарных и импульсных излучений, а также к воздействию одиночных частиц [1]. КМОП-микросхемы со структурой «кремний на изоляторе» (КМОП-КНИ) имеют значительно более высокую стойкость к этим воздействиям и поэтому наиболее предпочтительны для использования в специальной аппаратуре. Целью данной работы является проведение анализа современных КНИ-технологий и

архитектур АЦП, и оценка их возможностей для построения высокоскоростных КМОП-АЦП на КНИ-подложках.

I. Технологии КМОП-КНИ

В зависимости от условий применения микросхем используют два типа структур и, соответственно, КМОП-КНИ-технологий для их изготовления [1].

В структуре первого типа (рис.1, а) толщина слоя кремния на изоляторе превышает глубину сток/истоковых областей и составляет обычно 1,5-2 мкм. В структуре второго типа (рис.1, б) толщина слоя кремния на изоляторе равна глубине сток/истоковых областей и обычно не превышает 0,14-0,19 мкм.

Технология первого типа требует меньших затрат для снижения дефектности кремния по сравнению с технологией второго типа.

Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732) 43-76-95 Кононов Владимир Сергеевич - ВГТУ, соискатель, тел. (4732) 23-46-79

1 \ И '// С 1 /

\ + п р + п / У/

^ '

п

а)

1 \ И '// 1 с /

'// П р + / п '//

'// '//'//*

п

/

б)

Рис.1. Типовые ЫМОП-КНИ-структуры первого(а) и второго(б) типов с изоляцией БЮ2 1 - разделительная изоляция; 2 - скрытая изоляция

Однако технология первого типа обеспечивает только два преимущества по сравнению с технологией на объемном кремнии.

Первым преимуществом является полное устранение «тиристорного защелкивания». Это достигается использованием разделительной изоляции между РМОП и КМОП-транзисторами, которая, как показано на рис.1, а, смыкается со скрытым диэлектриком и, таким образом, предотвращает образование тиристорной связи между транзисторами.

З

2

З

2

Вторым преимуществом является минимизация влияния одиночных частиц благодаря прерыванию линии «шнура» от частицы на границе со скрытым диэлектриком, что приводит к ограничению числа электроннодырочных пар в «шнуре» и, следовательно, к уменьшению времени их релаксации.

Приведенные преимущества очень существенны в ряде случаев, однако, они нивелируются низкой устойчивостью КМОП-структур (рис.1, а) к воздействию импульсных излучений. Опытным путем установлено, что по этому показателю КМОП-микросхемы с такой структурой практически не отличаются от КМОП-микросхем на объемном кремнии.

Технологии второго типа наиболее полно реализуют преимущества структуры (рис.1, б). Как и в первом случае, в этой структуре тиристорная связь не возникает.

Маловероятным является также заметное влияние одиночных частиц, так как основания и боковые поверхности сток/истоковых областей примыкают к диэлектрику.

Уязвимыми к воздействию одиночных частиц остаются только боковые поверхности сток/истоковых областей («боковые» диоды), которые примыкают к активному каналу. Как видно из рис.1,б, эти поверхности расположены практически перпендикулярно к поверхности кристалла, а их площадь значительно меньше по сравнению с площадью переходов на рис.1, а. Поэтому вероятность попадания одиночной частицы в такую поверхность очень мала. По этим же причинам структура (рис.1, б) имеет наиболее высокую стойкость к импульсным излучениям по сравнению с КМОП-структурой на объемном кремнии и структурой (рис.1, а).

Важно отметить, что быстродействие транзистора со структурой (рис.1, б) почти не отличается от транзистора на объемном кремнии с теми же проектными нормами. При первом рассмотрении рис.1,б может показаться, что такого не должно быть, так как пассивные поверхности сток/истоковых областей примыкают к диэлектрику и, следовательно, барьерные емкости существенно уменьшаются. Однако на практике рассмотренный эффект от уменьшения барьерных емкостей нивелируется противоинверсионным подлегированием

примесью р -типа подканальной области по периферии транзистора и на границе со скрытым диэлектриком. При этом снижается возможность образования неуправляемых утечек вдоль разделительного и скрытого

диэлектриков, но, одновременно, возрастает удельная барьерная емкость сток/истоковых переходов, примыкающих к активному каналу.

На быстродействие структуры (рис.1, б) оказывает влияние также качество тонкого слоя кремния, дефектность которого приводит к снижению подвижности носителей тока. Опытным путем установлено, что это влияние по сравнению с объемным кремнием обычно не превышает 10-12 %.

Несмотря на то, что структура (рис.1, б) обладает перечисленным выше набором преимуществ, она имеет один очень существенный недостаток, который приводит к определенным неудобствам при

проектировании топологии. Речь идет об использовании МОП-транзистора в качестве ключа с общей подложкой. В КМОП-микросхемах на объемном кремнии роль такой подложки выполняет сама пластина или карман, а контакт с подканальной областью каждого транзистора обеспечивается естественным образом. В КМОП-КНИ-структуре, используемой в качестве ключа, контакт к подканальной области приходится выводить в сторону в виде ответвления от этой области. Такое ответвление представляет собой фактически узкий участок тонкого слоя кремния с уровнем легирования как в подканальной области. Поэтому между внешним контактом и собственно подканальной областью возникает паразитное сопротивление величиной до нескольких килоом (рис.2, а).

С

Я

си-

П

И

а)

И

б)

Рис.2. Схемы включения МОП-транзистора в ключевом (а) и активном (б) режимах работы Я - паразитный резистор

З

С

З

К счастью, в КМОП-КНИ-микросхемах транзисторы чаще всего включаются по схеме (рис.2, б), которая не приводит к образованию паразитного резистора.

Имеется и другой недостаток, который оказывает непосредственное влияние на построение КМОП-АЦП со структурой (рис.1, б). Речь идет об ограничениях, создаваемых этой структурой при выборе конструкции источника опорного напряжения (ИОН). В отличие от технологий на объемном кремнии, которые предоставляют для ИОН широкий набор биполярных и полевых транзисторов, диодов и стабилитронов, КМОП-КНИ-технологии второго типа могут предоставить дополнительно только «боковые» диоды, диоды Шоттки (рис.3, а) и полевые транзисторы на их основе (рис.3, б).

3

1 2 / !

а)

2 3

\ II / '' /

\ • /

д п п+ У/

У/ У/ У/

п

б)

Рис.3. Диод Шоттки (а) и полевой транзистор (б) с КНИ-структурой второго типа 1 - защита диода Шоттки; 2 - анод диода Шоттки;

3 - слой А1; 4 - сток/истоковые области полевого транзистора

В данном случае можно построить ИОН как показано на рис.4 [2, 3]. Считается [4], что использование КМОП-транзисторов вместо диодов (рис.4, а) и полевых транзисторов (рис.4, б) может ухудшить долговременную стабильность. В этом смысле «боковые» диоды вряд ли лучше, так как при обычной ширине

-ип

б)

Рис.4. ИОН на основе диодов

сток/истоковых областей >> 0,19 мкм вклад

периметра р-п-перехода, граничащего с

поверхностным, разделительным и скрытым диэлектриками, может оказать заметное

влияние на стабильность диодной характеристики.

Выходом из создавшегося положения является использование диодов с большой (по сравнению с боковой поверхностью) площадью основания. Однако стандартная КМОП-КНИ-технология второго типа этого не допускает.

Возможным решением для преодоления

указанного недостатка является создание окон в скрытом диэлектрике под диодами (рис.5) или использование диодов Шоттки вместо обычных диодов.

Рис.5. Диод на основе р-п-перехода между р+- областью и п-подложкой

Вариант ИОН, показанный на рис.4, б, является наиболее предпочтительным по уровням шума и долговременной стабильности. Однако этот вариант имеет более низкую стойкость к импульсным излучениям по сравнению с вариантом (рис.4, а), так как диоды на рис.4,а включены в прямом направлении, а затворные диоды Шоттки на рис.4, б - в обратном. Эти особенности необходимо учитывать при выборе конкретной схемотехники и технологии КМОП-КНИ-микросхем в зависимости от условий их эксплуатации.

В заключение необходимо отметить, что для изготовления рассмотренных вариантов ИОН потребуется ввести в стандартный КМОП-КНИ-процесс второго типа

дополнительные маски. Одна маска необходима для создания окон в скрытом диэлектрике (первый вариант), и две маски -для создания управляющих р-п-переходов на основе диодов Шоттки и подлегирования канала одного из полевых транзисторов для увеличения напряжения отсечки (второй вариант).

II. Архитектура и схемотехника

При построении современных

высокоскоростных АЦП нашли применение 4 типа архитектур [4]: параллельная,

секционированная, складывающая и

конвейерная. Эти же архитектуры можно использовать для создания КМОП-АЦП на КНИ -подложках.

Параллельный АЦП - это АЦП наиболее быстрого типа. Такая архитектура применяется как в автономных АЦП (8-10 разрядов), так и в АЦП секций (2-6 разрядов), на основе которых

строятся секционированные и конвейерные АЦП общей разрядностью 12-16 бит.

Основу любого К-разрядного

параллельного КМОП-АЦП составляют 2К-1 одинаковых компараторов и приоритетный дешифратор 2К-1: N (рис.6).

Рис.6. Структурная схема параллельного АЦП

На каждый компаратор поступает дифференциальное напряжение, общее для всех 2-1 компараторов, и два опорных напряжения, которые отличаются от аналогичных опорных напряжений в соседних компараторах на величину, соответствующую одному младшему разряду (1 мр). В 8-разрядных КМОП-АЦП 1мр ~ 3,5 - 4 мВ.

Развитие параллельных КМОП-АЦП осуществляется по двум направлениям. В первом случае упор делается на построение компараторов с гистерезисом, ширина петли которого составляет около 0,5 мр. Применение таких компараторов не приводит к метастабильности и позволяет ограничиться одноступенчатым приоритетным

дешифратором при выполнении прямого преобразования термокода разрядностью 2К-1 в бинарный К-разрядный код. Во втором случае, наоборот, используются компараторы с метастабильностью, а проблема ошибок решается с помощью двухступенчатых приоритетных дешифраторов. Такие дешифраторы в первой ступени преобразуют термокод в код Грея, а во второй ступени - код Грея в бинарный код.

Задержка двухступенчатого дешифратора почти в полтора раза превышает задержку одноступенчатого дешифратора, даже если в первой ступени использовать древовидную архитектуру [5], которая считается архитектурой наиболее быстрого типа. Тем не менее, КМОП-АЦП на основе таких дешифраторов используются наиболее часто, так как создать КМОП-компаратор с

устойчивой формой петли гистерезиса представляется более сложной задачей.

Следует отметить, что, несмотря на принадлежность параллельных КМОП-АЦП к категории АЦП наиболее быстрого типа, возможности автономных 8-разрядных КМОП-АЦП такого типа по быстродействию достигли фактического предела в 250-500 МГц (при использовании Si-подложек). Это связано с технологической трудностью создания опорной цепочки с разрешением менее 3,5-4 мВ и обеспечения ее защищенности от влияния обратных (kickback) шумов. Поэтому дальнейшее повышение быстродействия КМОП-АЦП аналогичной разрядности

достигается применением секционированной или складывающей архитектур.

В секционированных АЦП (рис.7) используют обычно две 4-разрядные секции с высокой скоростью преобразования

U„,

(например, 4 млрд. выборок в секунду [6]) и усилитель сигнала остатка с коэффициентом А = 24.

Особенностью работы такого АЦП является поддержание постоянного сигнала на выходе УВХ в течение всего цикла преобразования.

Как показывает практика, быстродействие секционированных КМОП-АЦП

ограничивается в основном временем установления сигнала остатка на выходе усилителя этого сигнала.

Складывающая архитектура (рис.8) предоставляет больше возможностей для повышения быстродействия КМОП-АЦП [7, 8].

Рис.7. Структурная схема 8-разрядного секционированного АЦП ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; УВХ - устройство выборки/хранения

Рис.8. Структурная схема 8-разрядного складывающего АЦП с интерполяцией СУ - складывающий усилитель; З - защелка;

Я - интерполирующий резистор

Однако считается [8], что складывающие АЦП более чувствительны к разбросам характеристик МОП-транзисторов по

сравнению с параллельными АЦП. Поэтому даже при использовании усреднения и интерполяции [9, 10] пока не удалось повысить разрядность складывающих АЦП более 8-10

бит. Тем не менее, скорость преобразования таких АЦП при использовании 8і-подложек уже превысила 2 млрд. выборок в секунду.

Конвейерная архитектура (рис.9) в

настоящее время является наиболее предпочтительной для построения

высокоскоростных КМОП-АЦП разрядностью более 8-10 бит.

И

Считается [4], что при современном уровне развития КМОП-технологии разрядность конвейерных АЦП не сможет превысить 16 бит. Однако скорость преобразования таких АЦП будет расти по мере уменьшения проектных норм, причем основным фактором, сдерживающим рост скорости преобразования, является, как и в случае секционированных АЦП,

инерционность межсекционных усилителей сигналов остатков.

Во всех типах АЦП, рассмотренных выше, УВХ являются самыми уязвимыми элементами. Это обусловлено тем, что в составе УВХ используются встроенные конденсаторы, зарядовое состояние которых может измениться под воздействием импульсных излучений. Уменьшить влияние импульсных излучений можно, если УВХ построить по дифференциальной схеме на основе двух конденсаторов с подключением нижних обкладок этих конденсаторов к общей шине в одной точке. В этом случае зарядовое состояние обоих конденсаторов в режиме хранения будет изменяться на одинаковую величину

ДО = СХр * ди,

Рис.9. Структурная схема Ы-разрядного конвейерного АЦП

где ДИ = ДИ = ДИ2 - изменение синфазного напряжения на конденсаторах емкостью Схр.

Дифференциальное напряжение на конденсаторах, наоборот, останется без изменения, так как

Идиф = и - И2 =

Другие элементы КМОП-АЦП на КНИ-подложках в отличие от УВХ не содержат встроенных конденсаторов. Поэтому их чувствительность к импульсным излучениям будет достаточно низкой.

III. Заключение

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. Стандартные КМОП-КНИ-технологии

не отвечают современным требованиям по шумам и долговременной стабильности КМОП-АЦП. Для улучшения этих

характеристик предложено создавать окна в скрытом диэлектрике и размещать в них диоды для встроенных источников опорных напряжений.

2. Складывающие и конвейерные архитектуры являются в настоящее время

наиболее перспективными для построения высокоскоростных КМОП-АЦП на КНИ-

подложках. Для повышения стойкости к импульсным излучениям предложено использовать дифференциальные УВХ на основе двух конденсаторов с подключением нижних обкладок этих конденсаторов к общей шине в одной точке.

Литература

1. Эффекты космической радиации в микроэлектронике / Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. - 1988. - т.76 - №11, с.52.

2. Doyle J. A CMOS Subbandgap Reference Circuit With 1-V Power Supply Voltage / J. Doyle and an // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2004. - Vol.39. - №1, p. 252255.

3. Walt Jung. Build an Ultralow Noise Voltage Reference / Jung W. // Electronic Design Analog Applications Issue. - 1993, p. 74-75.

4. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование / У. Кестер // Перевод с англ. под редакцией Е.Б. Володина. -М.: Техносфера. - 2007. - 1016с.

5. Lee D. Fat tree encoder design for ultra-high speed flash A/D Converters / D. Lee // The Pennsylvania State University / Department of Computer Science & Engineering.

- University Park. - PA16802.

6. Park S. A 4GS/s 4b Flash ADC in 0,18 цт CMOS / S. Park // IEEE International Solid-State Crcuits Conference. -2006, p. 2330-2339.

7. Moreland C. An 8-bit 150 MSPS Serial ADC / C. Moreland // IEEEC ISSCC Digest of Technical Papers. - 1995.

- Vol.38, p. 272.

8. Taft R. A 1,8-V 1,6-GS/s 8-b Self-Calibrating Folding ADC With 7,26 ENOB at Nyquist Frequency / R. Taft end an. // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2004. -Vol.39. - No.12, p. 2107-2115.

9. Kattmann K. A technique for reducing differential nonlinearity errors in flash A/D converters / K. Kattmann end an // IEEE ISSCC Journal of Solid-State Circuits. - 1997. -Vol.32, p. 170-171.

10. Bult K. An embedded 240-mW 10-b 50-MS/s CMOS ADC in 1mm2 / K. Bult end an // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1997. - Vol.32, p. 1887-1895.

Воронежский государственный технический университет

HIGH-SPEED SILICON-ON-INSULATOR CMOS A/D CONVERTERS S.I. Rembeza, V.S. Kononov

Two types of technology with their modifications are described, considering specific of silicon-on-insulator CMOS ADC. Basic types of architecture and circuitry of high-speed CMOS A/D converters are defined. It is shown, that folding and pipeline are the most perspective architectures for building silicon-on-insulator CMOS A/D converters

Key words: silicon-on-insulator, CMOS, A/D converter