Phân Tích và Xây Dựng Kiến Trúc DT-MOSFET: Ứng Dụng trong Thiết Kế Vi Mạch Tham Chiếu Điện Áp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử phân tích kiến trúc MOSFET trong thiết kế vi mạch tham chiếu điện áp, ứng dụng thực tiễn và tiềm năng.

• Tác giả: Huỳnh Văn Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hoàng Trang
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Phân Tích và Xây Dựng Kiến Trúc DT-MOSFET trong Thiết Kế Vi Mạch
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Lý do chọn đề tài
• 1.1. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
• 1.3. Bố cục của quyển báo cáo
• 2. DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 3. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 4. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 5. THIẾT KẾ DTMOS VÀ KẾT QUẢ TRÊN TCAD
• 5.1. Mô hình toán học
• 5.2. Thiết kế linh kiện
• 5.3. Tạo cấu trúc 3D cho linh kiện
• 6. QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN VÀ KẾT QUẢ
• 6.1. Đo đạc các đặc tuyến I-V của MOSFET trên TCAD
• 6.2. Áp dụng mô hình BSIM3 trong việc trích tham số MOSFET
• 6.3. Quá trình trích tham số
• 6.4. Kiểm chứng lại mô hình
• 6.5. Mô phỏng thay đổi trong quá trình sản xuất lên mạch tham chiếu điện áp dùng LTspice
• 6.6. Mô phỏng các ảnh hưởng của quá trình sản xuất lên DT-MOSFET
• 6.7. Mô phỏng các ảnh hưởng của quá trình sản xuất lên BJT
• 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về DT MOSFET Nền Tảng Thiết Kế Vi Mạch

Bài toán công suất thấp là ưu tiên hàng đầu trong thiết kế vi mạch hiện đại. DT-MOSFET, với khả năng giảm điện áp ngưỡng động, được xem là một giải pháp hiệu quả. Kiến trúc này cho phép các mạch tích hợp hoạt động ở điện áp thấp hơn, từ đó giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng. Sự thành công trong việc phát triển và ứng dụng kiến trúc DT-MOSFET mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng tích hợp ngày càng nhiều hơn. Đề tài "Phân tích và Xây dựng kiến trúc DT-MOSFET" tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển nền tảng này, hướng đến mục tiêu xây dựng các mạch tích hợp công suất thấp. Cần thiết phải nắm rõ các đặc tính DT-MOSFET, cả ưu điểm DT-MOSFET và nhược điểm DT-MOSFET để ứng dụng hiệu quả. Nghiên cứu này đặt nền tảng lý thuyết và thực nghiệm vững chắc cho việc phát triển các linh kiện bán dẫn khác, ứng dụng trong các mạch tích hợp công suất thấp.

1.1. Tại Sao DT MOSFET Lại Quan Trọng Trong Thiết Kế Vi Mạch

DT-MOSFET (Dynamic Threshold MOSFET) là một biến thể của công nghệ MOSFET được thiết kế để giảm điện áp ngưỡng khi điện áp cổng cao và tăng điện áp ngưỡng khi điện áp cổng thấp. Điều này giúp giảm rò rỉ dưới ngưỡng và cải thiện hiệu suất năng lượng. Theo tài liệu, "Kiến trúc DTMOS được đề xuất như một giải pháp hiệu quả mà hầu hết các mạch công suất thấp đều đề cập." Điều này chứng tỏ tầm quan trọng của DT-MOSFET trong việc giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lượng trong thiết kế vi mạch. Các mạch tích hợp công suất thấp hoạt động dựa trên các linh kiện mang đặc tính công suất thấp. Do đó, thành công trong việc phát triển một kiến trúc DTMOS cho phép khai thác tính ứng dụng và thực tiễn.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Kiến Trúc DT MOSFET Trong Tương Lai

Với khả năng hoạt động ở điện áp thấp và giảm dòng điện rò, DT-MOSFET mở ra tiềm năng lớn cho các ứng dụng di động, thiết bị đeo và các hệ thống IoT (Internet of Things). Tài liệu cho thấy thành công trong việc phát triển kiến trúc DTMOS cho phép khai thác tính ứng dụng và thực tiễn. Ngoài ra, kiến trúc DTMOS thành công đặt nền tảng lý thuyết và thực nghiệm cho phép phát triển các linh kiện bán dẫn khác ứng dụng trong các mạch tích hợp công suất thấp. Các ứng dụng này yêu cầu hiệu suất năng lượng cao và tuổi thọ pin dài, điều mà DT-MOSFET có thể đáp ứng. Hơn nữa, DT-MOSFET có thể được sử dụng trong các mạch tham chiếu điện áp, như được đề cập trong nhiệm vụ luận văn.

II. Thách Thức và Vấn Đề Khi Xây Dựng Kiến Trúc DT MOSFET

Việc xây dựng kiến trúc DT-MOSFET hiệu quả không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều thách thức cần phải vượt qua, từ khâu thiết kế, chế tạo đến mô phỏng và kiểm tra. Một trong những thách thức lớn nhất là kiểm soát các thông số sản xuất, vì chúng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của DT-MOSFET. Ảnh hưởng của các thông số sản xuất lên chất lượng của MOSFET và mạch tham chiếu điện áp cần được xem xét và đánh giá kỹ lưỡng. Các vấn đề như ảnh hưởng kênh ngắn và độ dốc dưới ngưỡng cũng cần được giải quyết để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Cần so sánh DT-MOSFET với các công nghệ khác như CMOS, NMOS, PMOS để thấy rõ ưu thế và hạn chế của nó.

2.1. Kiểm Soát Thông Số Sản Xuất và Ảnh Hưởng Lên Hiệu Năng DT MOSFET

Theo tài liệu, việc xem xét, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số sản xuất lên chất lượng của MOSFET và mạch tham chiếu điện áp là rất quan trọng. Các thông số như độ dày lớp oxit cổng (Tox), chiều dài kênh (Kích thước kênh), và điện áp ngưỡng (Điện áp ngưỡng) có thể ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính của DT-MOSFET. Do đó, cần phải kiểm soát chặt chẽ các thông số này trong quá trình sản xuất để đảm bảo độ tin cậy DT-MOSFET và hiệu suất mong muốn. Quá trình mô phỏng mạch có vai trò quan trọng trong việc dự đoán ảnh hưởng của các thông số này.

2.2. Giải Quyết Các Vấn Đề Ảnh Hưởng Kênh Ngắn và Độ Dốc Dưới Ngưỡng

Ảnh hưởng kênh ngắn và độ dốc dưới ngưỡng là những vấn đề phổ biến trong các MOSFET có kích thước nhỏ. Ảnh hưởng kênh ngắn xảy ra khi chiều dài kênh giảm, dẫn đến sự suy giảm khả năng kiểm soát của điện áp cổng lên kênh dẫn. Độ dốc dưới ngưỡng mô tả tốc độ thay đổi của dòng điện kênh theo điện áp cổng khi điện áp cổng gần điện áp ngưỡng. Cần phải áp dụng các kỹ thuật thiết kế và chế tạo tiên tiến để giảm thiểu các vấn đề này và đảm bảo hiệu suất tối ưu cho DT-MOSFET. Quá trình Scaling MOSFET luôn cần được xem xét.

III. Phương Pháp Thiết Kế và Xây Dựng Kiến Trúc DT MOSFET Hiệu Quả

Để xây dựng kiến trúc DT-MOSFET hiệu quả, cần phải áp dụng một quy trình thiết kế và xây dựng chặt chẽ. Quy trình này bao gồm các bước như mô hình hóa linh kiện, thiết kế mạch, mô phỏng và kiểm tra. Sử dụng các công cụ mô phỏng chuyên dụng như Spice, Cadence, và Mentor Graphics là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của DT-MOSFET. Việc xây dựng chương trình tính toán các thông số sản xuất, để so sánh, kiểm chứng với TCAD và để nắm rõ quy trình sản xuất vi mạch là một bước quan trọng.

3.1. Mô Hình Hóa Linh Kiện DT MOSFET Bằng Các Công Cụ Chuyên Dụng

Mô hình hóa linh kiện là bước đầu tiên trong quy trình thiết kế. Các mô hình toán học cần phải chính xác để mô phỏng chính xác hành vi của DT-MOSFET. Các công cụ như TCAD (Technology Computer-Aided Design) có thể được sử dụng để mô phỏng các đặc tính của DT-MOSFET ở cấp độ vật lý. Tài liệu đề cập đến việc phân tích, xây dựng kiến trúc DT-MOSFET trên TCAD như là một nhà máy sản xuất ảo. Các mô hình như BSIM (Berkeley Short-channel IGFET Model) cũng có thể được sử dụng để mô phỏng hành vi của DT-MOSFET trong các mạch điện.

3.2. Thiết Kế Mạch Điện Sử Dụng DT MOSFET và Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Sau khi mô hình hóa linh kiện, bước tiếp theo là thiết kế mạch điện sử dụng DT-MOSFET. Cần phải lựa chọn các cấu trúc mạch phù hợp để tận dụng tối đa ưu điểm của DT-MOSFET. Các kỹ thuật tối ưu hóa hiệu suất như giảm điện áp ngước và tăng tốc độ chuyển mạch cần được áp dụng. Mạch tham chiếu điện áp có thể được sử dụng như một trường hợp để xét ảnh hưởng của thông số sản xuất lên chất lượng mạch như thế nào.

IV. Ứng Dụng Thực Tế của DT MOSFET Trong Mạch Tham Chiếu Điện Áp

Mạch tham chiếu điện áp là một ứng dụng quan trọng của DT-MOSFET. Mạch tham chiếu điện áp cung cấp một điện áp ổn định, không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp nguồn và nhiệt độ. DT-MOSFET, với khả năng hoạt động ở điện áp thấp và giảm dòng điện rò, là một lựa chọn lý tưởng cho các mạch tham chiếu điện áp công suất thấp. Việc sử dụng DT-MOSFET trong mạch tham chiếu điện áp có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của mạch. Có thể thiết kế mạch tham chiếu điện áp không sử dụng OpAmp hoặc có sử dụng OpAmp.

4.1. Thiết Kế Mạch Tham Chiếu Điện Áp Công Suất Thấp Sử Dụng DT MOSFET

Thiết kế mạch tham chiếu điện áp công suất thấp đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các thông số thiết kế. Cần phải lựa chọn các giá trị điện trở và tụ điện phù hợp để đảm bảo điện áp đầu ra ổn định và ít nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ và điện áp nguồn. DT-MOSFET có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất năng lượng của mạch tham chiếu điện áp. Việc xem xét, đánh giá ảnh hưởng của một số thông số sản xuất lên chất lượng của MOSFET và mạch tham chiếu điện áp là rất quan trọng để có thể đạt được hiệu suất cao nhất.

4.2. Đánh Giá Độ Tin Cậy DT MOSFET của Mạch Tham Chiếu Điện Áp Trong Các Điều Kiện Khác Nhau

Đánh giá độ tin cậy DT-MOSFET của mạch tham chiếu điện áp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau. Cần phải thực hiện các thử nghiệm để kiểm tra hiệu suất của mạch trong các điều kiện nhiệt độ và điện áp nguồn khác nhau. Các thử nghiệm stress cũng có thể được thực hiện để đánh giá khả năng chịu đựng của mạch đối với các điều kiện khắc nghiệt. Các kết quả thử nghiệm sẽ giúp xác định các điểm yếu của mạch và đưa ra các biện pháp cải thiện.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Phân Tích Ảnh Hưởng Quá Trình Sản Xuất

Luận văn nghiên cứu đã phân tích và xây dựng kiến trúc DT-MOSFET trên TCAD như là một nhà máy sản xuất ảo. Các thông số sản xuất được tính toán và so sánh với TCAD. Quy trình đo đạc các đặc tuyến của MOSFET, và kỹ thuật trích xuất các tham số của mô hình DT-MOSFET cũng được giải quyết. Ảnh hưởng của một số thông số sản xuất lên chất lượng của MOSFET và mạch tham chiếu điện áp đã được xem xét và đánh giá.

5.1. Kết Quả Mô Phỏng và Đo Đạc Các Đặc Tuyến Của DT MOSFET trên TCAD

Các đặc tuyến I-V của MOSFET đã được đo đạc trên TCAD. Các tham số của mô hình BSIM3 đã được trích xuất. Mô hình đã được kiểm chứng lại. Quá trình sản xuất đã được mô phỏng và ảnh hưởng của nó lên mạch tham chiếu điện áp đã được đánh giá bằng LTspice.

5.2. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Quá Trình Sản Xuất Lên Hiệu Suất Mạch Tham Chiếu Điện Áp

Quá trình sản xuất có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của mạch tham chiếu điện áp. Các thông số như độ dày lớp oxit cổng (Tox), chiều dài kênh (Kích thước kênh), và điện áp ngưỡng (Điện áp ngưỡng) có thể thay đổi trong quá trình sản xuất, dẫn đến sự thay đổi trong điện áp đầu ra của mạch tham chiếu điện áp. Cần phải phân tích ảnh hưởng của các thay đổi này và đưa ra các biện pháp bù trừ để đảm bảo điện áp đầu ra ổn định.

VI. Tương Lai của DT MOSFET Công Nghệ Nano và Ứng Dụng Tiềm Năng

DT-MOSFET tiếp tục phát triển và hoàn thiện trong tương lai. Sự phát triển của công nghệ nano mở ra nhiều cơ hội mới cho DT-MOSFET. Các DT-MOSFET có kích thước nano có thể đạt được hiệu suất cao hơn và tiêu thụ năng lượng DT-MOSFET thấp hơn. Các ứng dụng tiềm năng của DT-MOSFET trong tương lai bao gồm các thiết bị di động, thiết bị đeo, các hệ thống IoT (Internet of Things), và các mạch tích hợp công suất thấp.

6.1. Triển Vọng Của DT MOSFET Trong Kỷ Nguyên Công Nghệ Nano

Công nghệ nano cho phép tạo ra các DT-MOSFET có kích thước nhỏ hơn và hiệu suất cao hơn. Các vật liệu mới như graphene và carbon nanotube cũng có thể được sử dụng để cải thiện các đặc tính của DT-MOSFET. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong tương lai. Điều này có ảnh hưởng lớn đến thiết kế vi mạch DT-MOSFET.

6.2. Các Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển DT MOSFET Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển DT-MOSFET trong tương lai bao gồm việc cải thiện hiệu suất năng lượng, tăng tốc độ chuyển mạch, và giảm kích thước linh kiện. Các kỹ thuật thiết kế mới như thiết kế mạch số và thiết kế mạch tương tự cũng đang được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất của DT-MOSFET. Nghiên cứu này còn liên quan mật thiết đến các công nghệ VLSI.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghệ vi mạch tích hợp công suất thấp, việc thiết kế các linh kiện bán dẫn có hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp trở thành một yêu cầu cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, các mạch tích hợp công suất thấp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại, đòi hỏi các linh kiện bán dẫn phải có đặc tính công suất thấp và hiệu năng ổn định. Đề tài “Phân tích và xây dựng kiến trúc DT-MOSFET. Ứng dụng trong thiết kế vi mạch tham chiếu điện áp” tập trung vào việc phát triển kiến trúc Dynamic Threshold MOSFET (DT-MOSFET) nhằm giải quyết bài toán thiết kế mạch tích hợp công suất thấp, đặc biệt trong các vi mạch tham chiếu điện áp.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm phân tích, xây dựng kiến trúc DT-MOSFET trên nền tảng TCAD như một nhà máy sản xuất ảo, phát triển chương trình tính toán các thông số sản xuất để kiểm chứng với TCAD, kỹ thuật đo đạc đặc tuyến MOSFET, trích xuất tham số mô hình và xây dựng thư viện model cho công cụ thiết kế-mô phỏng vi mạch. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên công nghệ CMOS 180nm, phù hợp với kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất vi mạch đầu tiên tại TP.HCM, Việt Nam, trong giai đoạn 2013-2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển linh kiện bán dẫn công suất thấp mà còn góp phần xây dựng bộ thư viện PDK (Process Design Kit) phục vụ cho sản xuất và thiết kế vi mạch trong nước, giúp tiết kiệm ngoại tệ, phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao và đảm bảo an ninh quốc gia trong lĩnh vực công nghệ bán dẫn. Nghiên cứu này cũng đặt nền tảng lý thuyết và thực nghiệm cho việc phát triển các linh kiện bán dẫn khác ứng dụng trong mạch tích hợp công suất thấp, đồng thời hỗ trợ cho việc vận hành thành công nhà máy sản xuất vi mạch đầu tiên tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử và công nghệ bán dẫn, bao gồm:

• Kiến trúc MOSFET và Dynamic Threshold MOSFET (DT-MOSFET): Mô hình cấu tạo và hoạt động của MOSFET truyền thống, cùng với kiến trúc DTMOS được phát triển nhằm giảm điện áp ngưỡng và tiêu thụ công suất, thông qua việc nối cực thân và cực cổng, tạo ra hiệu ứng giảm điện áp ngưỡng khi phân cực thuận cực thân.

• Mô hình BSIM3: Mô hình bán dẫn chuẩn được sử dụng để mô phỏng và trích xuất các tham số của MOSFET, bao gồm các hiệu ứng kênh ngắn, điện trở nối tiếp, và các hiệu ứng nhiệt độ, giúp mô phỏng chính xác đặc tính thiết bị trong các điều kiện sản xuất và hoạt động khác nhau.

• Mạch tham chiếu điện áp (Bandgap Reference): Lý thuyết về mạch tham chiếu điện áp sử dụng transistor lưỡng cực và MOSFET nhằm tạo ra nguồn điện áp chuẩn ổn định, ít phụ thuộc vào nhiệt độ và biến đổi quá trình sản xuất (PVT), đặc biệt trong các ứng dụng công suất thấp.

Các khái niệm chính bao gồm điện áp ngưỡng (Vt), dòng điện máng (Id), điện trở ngõ ra (r0), hiệu ứng kênh ngắn, phân cực cực thân, và các tham số mô hình BSIM3 như K1, K3, VA, giúp mô phỏng chính xác đặc tính thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng TCAD (Technology Computer-Aided Design) như một nhà máy sản xuất ảo để phân tích và xây dựng kiến trúc DT-MOSFET trên công nghệ CMOS 180nm. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các cấu trúc MOSFET với các kích thước kênh khác nhau (ví dụ: W/L từ 1μm/0.6μm đến 16μm/2μm) nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số sản xuất.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các cấu trúc điển hình của MOSFET và DTMOS để mô phỏng đặc tuyến I-V, trích xuất tham số mô hình BSIM3, và kiểm chứng mô hình bằng so sánh với dữ liệu mô phỏng TCAD. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 07 năm 2016.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng các công cụ mô phỏng vi mạch như LTspice để đánh giá ảnh hưởng của các biến đổi thông số sản xuất lên chất lượng mạch tham chiếu điện áp. Các bước nghiên cứu bao gồm:

• Thiết kế cấu trúc 3D của DT-MOSFET trên TCAD.
• Mô phỏng đặc tuyến I-V và trích xuất tham số mô hình BSIM3.
• Xây dựng file model MOSFET dùng trong thư viện PDK.
• Mô phỏng ảnh hưởng của các thông số sản xuất (như độ dày oxide, chiều dài kênh) lên hiệu năng mạch tham chiếu điện áp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kiến trúc DT-MOSFET giảm điện áp ngưỡng hiệu quả: Mô phỏng cho thấy điện áp ngưỡng của linh kiện DTMOS giảm đáng kể khi phân cực thuận cực thân, với giá trị điện áp ngưỡng thấp hơn khoảng 0.2V so với MOSFET thông thường, giúp linh kiện hoạt động ở điện áp cung cấp thấp hơn mà vẫn duy trì dòng điện đủ lớn. Ví dụ, dòng cực máng của DTMOS tăng nhanh hơn MOSFET chuẩn, đảm bảo khả năng lái dòng lớn trong mạch tham chiếu điện áp.

2. Ảnh hưởng của thông số sản xuất lên đặc tính MOSFET: Thay đổi độ dày lớp oxide (Tox) từ 3nm đến 6nm làm thay đổi điện áp ngưỡng và dòng điện bão hòa của MOSFET khoảng 15-20%. Chiều dài kênh (L) thay đổi trong khoảng 0.6μm đến 2μm ảnh hưởng đến điện trở ngõ ra và dòng rò, làm thay đổi hiệu suất mạch tham chiếu điện áp khoảng 10-12%.

3. Mô hình BSIM3 phù hợp với dữ liệu TCAD: Quá trình trích xuất tham số và kiểm chứng mô hình BSIM3 cho thấy sai số dưới 5% so với dữ liệu mô phỏng TCAD, đảm bảo tính chính xác trong việc xây dựng thư viện model cho thiết kế vi mạch.

4. Ảnh hưởng của biến đổi sản xuất lên mạch tham chiếu điện áp: Mô phỏng mạch tham chiếu điện áp sử dụng LTspice cho thấy các biến đổi thông số sản xuất như Tox và L ảnh hưởng đến hệ số PSRR (Power Supply Rejection Ratio) của mạch từ 0.5% đến 3%, ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định điện áp tham chiếu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm điện áp ngưỡng trong DT-MOSFET là do kết nối cực thân và cực cổng tạo ra phân cực thuận cho tiếp giáp thân-nguồn, làm giảm điện áp ngưỡng theo biểu thức $V_t = V_{to} - \lambda (\sqrt{2\phi_b - V_{BS}} - \sqrt{2\phi_b})$. Điều này giúp linh kiện hoạt động hiệu quả ở điện áp thấp, phù hợp với yêu cầu công suất thấp trong vi mạch tham chiếu điện áp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng và trích xuất tham số phù hợp với các báo cáo về DTMOS và mạch bandgap reference trong công nghệ 180nm và 65nm, khẳng định tính khả thi và hiệu quả của kiến trúc đề xuất. Việc sử dụng TCAD như nhà máy sản xuất ảo giúp giảm chi phí và thời gian thử nghiệm thực tế, đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác để xây dựng thư viện PDK.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến I-V của MOSFET và DTMOS, bảng so sánh tham số trích xuất BSIM3 với dữ liệu TCAD, và biểu đồ ảnh hưởng của Tox, L lên PSRR của mạch tham chiếu điện áp, giúp minh họa rõ ràng các ảnh hưởng của thông số sản xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển bộ thư viện PDK mở cho công nghệ CMOS 180nm: Tập trung xây dựng thư viện model đầy đủ cho các linh kiện DT-MOSFET, MOSFET chuẩn và BJT, nhằm phục vụ thiết kế và sản xuất vi mạch tại nhà máy sản xuất chip đầu tiên ở Việt Nam. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

2. Tối ưu quy trình sản xuất linh kiện DT-MOSFET: Áp dụng các kỹ thuật kiểm soát độ dày oxide và chiều dài kênh chính xác để giảm thiểu biến đổi thông số sản xuất, nâng cao chất lượng linh kiện và hiệu suất mạch tham chiếu điện áp. Chủ thể thực hiện là nhà máy sản xuất và các đơn vị nghiên cứu công nghệ bán dẫn.

3. Đào tạo và phát triển nguồn nhân lực chuyên sâu: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế vi mạch, mô phỏng TCAD và trích xuất tham số BSIM3 cho kỹ sư và sinh viên, nhằm nâng cao năng lực thiết kế và sản xuất vi mạch trong nước. Thời gian triển khai liên tục, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

4. Ứng dụng kiến trúc DT-MOSFET trong các mạch công suất thấp: Khuyến khích các doanh nghiệp và viện nghiên cứu áp dụng kiến trúc DT-MOSFET trong thiết kế mạch tham chiếu điện áp và các mạch analog công suất thấp khác, nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Chủ thể thực hiện là các công ty thiết kế vi mạch và trung tâm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế vi mạch: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kiến trúc DT-MOSFET, mô hình BSIM3 và kỹ thuật trích xuất tham số, giúp kỹ sư nâng cao kỹ năng thiết kế và mô phỏng vi mạch công suất thấp.

2. Nhà nghiên cứu công nghệ bán dẫn: Tài liệu chi tiết về quy trình sản xuất, mô phỏng TCAD và ảnh hưởng của thông số sản xuất đến chất lượng linh kiện, hỗ trợ nghiên cứu phát triển công nghệ bán dẫn trong nước.

3. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật điện tử: Luận văn là nguồn tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết MOSFET, DTMOS, công nghệ chế tạo vi mạch và mô hình hóa thiết bị bán dẫn, phục vụ học tập và nghiên cứu.

4. Doanh nghiệp sản xuất và thiết kế vi mạch: Thông tin về xây dựng bộ thư viện PDK và ứng dụng DT-MOSFET giúp doanh nghiệp phát triển sản phẩm vi mạch công suất thấp, nâng cao năng lực cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

1. DT-MOSFET là gì và ưu điểm chính của nó?
   DT-MOSFET là linh kiện MOSFET với điện áp ngưỡng động được điều khiển bằng cách nối cực thân và cực cổng, giúp giảm điện áp ngưỡng và tiêu thụ công suất thấp hơn so với MOSFET truyền thống. Ví dụ, điện áp ngưỡng giảm khoảng 0.2V giúp linh kiện hoạt động hiệu quả ở điện áp thấp.

2. Tại sao cần xây dựng bộ thư viện PDK cho nhà máy sản xuất vi mạch?
   Bộ thư viện PDK chứa các file model thiết bị và quy trình sản xuất, là cơ sở để thiết kế và mô phỏng vi mạch chính xác. Thiếu PDK, nhà máy không thể vận hành hiệu quả và khách hàng không thể thiết kế chip phù hợp, gây lãng phí lớn về thời gian và chi phí.

3. Phương pháp trích xuất tham số BSIM3 được thực hiện như thế nào?
   Tham số BSIM3 được trích xuất dựa trên dữ liệu đặc tuyến I-V mô phỏng từ TCAD hoặc đo đạc thực tế, sử dụng các thuật toán tối ưu để phù hợp mô hình với dữ liệu thực tế, đảm bảo sai số dưới 5%. Đây là bước quan trọng để xây dựng thư viện model chính xác.

4. Ảnh hưởng của biến đổi thông số sản xuất lên mạch tham chiếu điện áp ra sao?
   Biến đổi như độ dày oxide và chiều dài kênh ảnh hưởng đến điện áp ngưỡng và dòng điện, làm thay đổi hệ số PSRR của mạch tham chiếu điện áp từ 0.5% đến 3%, ảnh hưởng đến độ ổn định và độ chính xác của nguồn điện áp chuẩn.

5. Làm thế nào để ứng dụng kiến trúc DT-MOSFET trong thiết kế vi mạch thực tế?
   Kiến trúc DT-MOSFET có thể được tích hợp vào các mạch tham chiếu điện áp và mạch analog công suất thấp bằng cách sử dụng thư viện model được xây dựng từ nghiên cứu, giúp giảm điện áp cung cấp và tiêu thụ năng lượng, phù hợp với các thiết bị di động và IoT.

Kết luận

• Đã phân tích và xây dựng thành công kiến trúc DT-MOSFET trên nền tảng TCAD công nghệ CMOS 180nm, phù hợp với yêu cầu thiết kế vi mạch công suất thấp.
• Trích xuất tham số mô hình BSIM3 chính xác, sai số dưới 5%, đảm bảo tính khả thi trong xây dựng thư viện PDK.
• Đánh giá ảnh hưởng của các thông số sản xuất như độ dày oxide, chiều dài kênh lên đặc tính MOSFET và mạch tham chiếu điện áp, cung cấp dữ liệu quan trọng cho quy trình sản xuất.
• Đề xuất các giải pháp phát triển bộ thư viện PDK mở, tối ưu quy trình sản xuất, đào tạo nguồn nhân lực và ứng dụng kiến trúc DT-MOSFET trong thiết kế vi mạch.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng DT-MOSFET trong các linh kiện bán dẫn khác và phát triển công nghệ sản xuất vi mạch trong nước, góp phần nâng cao năng lực công nghiệp bán dẫn Việt Nam.

Hành động tiếp theo là triển khai xây dựng bộ thư viện PDK hoàn chỉnh, phối hợp với nhà máy sản xuất vi mạch và các đơn vị đào tạo để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sản xuất và thiết kế vi mạch.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu, trình bày các mục tiêu, vấn đề cần thực hiện trong luận văn, các lý do cũng như ý nghĩa khoa học, tầm quan trọng và tính cấp thiết của đề tài. Chƣơng 2 trình bày tổng quan vấn đề cần nghiên cứu. Các nghiên cứu, lý thuyết được trình bày trong chương này, bao gồm mô hình, kiến trúc MOSFET, DT-MOSFET; công nghệ sản xuất vi mạch; các mô hình BSIM dùng để mô hình hóa các linh kiện MOSFET trong mô phỏng vi mạch; các mạch tham chiếu điện áp. Chƣơng 3 trình bày về thiết kế, sản xuất DT-MOSFET trên nhà máy sản xuất ảo với TCAD.

Chƣơng 4 đưa ra trình tự quá trình mô phỏng, cách thức trích xuất các thông số và một số kết quả. Phần kết luận chung của đề tài được trình bày ngắn gọn trong chương 5. Cuối cùng là danh sách các tài liệu tham khảo.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN Với mục tiêu dài hơi trong việc tạo ra bộ thư viện PDK của một nhà máy sản xuất, với mục tiêu đánh giá các thay đổi thông số sản xuất (process variation) ảnh hưởng ra sao đến chất lượng MOSFET cũng như chất lượng các mạch; trong công nghiệp cũng như tại các đơn vị nghiên cứu trên thế giới; có một số phương pháp được nghiên cứu và phát triển để trích xuất thông số hoặc dựa trên đo đạc thực tế hoặc dựa trên mô phỏng [1].Một số phương pháp được phát triển để xác định đặc tính của 1 số thông số transitor [2].Hay như trong nghiên cứu [3], các tác giả đã tìm ra trong công nghệ 65nm, các thay đổi trong chiều dài kênh, điện áp ngưỡng threshold voltage, độ linh động của các tạp chất pha vào MOSFET là những nguồn quan trọng làm thay đổi đặc tính của MOSFET.

Việc xác định các ảnh hưởng của các thông số trong MOSFET như trên là dựa trên TCAD hoặc đo đạc thực tế sau khi sản xuất xong các test chip, hoặc là các mạch cụ thể nào đó. Các mảng transistor, mạch ring oscillator là những cấu trúc test điển hình cho mục tiêu trên [4].Tuy nhiên, có rất ít các công trình công bố về các dữ liệu đo đạc thiết bị thật từ sản xuất để xem xét ảnh hưởng của quá trình sản xuất (như tác giả chỉ tìm thấy 1 công trình duy nhất trong [5]), một phần là việc sản xuất thật rất tốt chi phí-thời gian, và một phần là các hãng công nghiệp bảo vệ bí mật công nghệ, không công bố. Do vậy, trong đề tài này, TCAD được sử dụng như là một nhà máy sản xuất ảo. Để sử dụng được, lập trình thiết kế các cấu trúc vi mạch, các kiến thức cần có về MOSFET, về công nghệ sản xuất vi mạch được trình bày trong các phần từ 2.

Chương 3 là thiết kế trong đề tài, được trình bày riêng và chi tiết hơn. Từ quá trình sản xuất trên, một bước quan trọng là cần phải có mô hình của các MOSFET.Trong đề tài này, mô hình BSIM được sử dụng và được trình bày trong phần 2. Các mảng transistor, mạch ring oscillator là những cấu trúc test điển hình cho xem xét ảnh hưởng của thay đổi thông số trong sản xuất lên chất lượng vi mạch ra sao [4], trong đề tài này, vi mạch tham chiếu điện áp (bandgap reference) được sử dụng. Do vậy, phần 2.6 sẽ trình bày tóm tắt về vi mạch này.7 trình bày thống kê 1 số công trình liên quan trực tiếp đến DTMOS và mạch tham chiếu điện áp.

Vi mạch tham chiếu điện áp (bandgap reference) được ứng dụng trong nhiều hệ thống vi mạch hiện đại vì khả năng tạo nguồn dòng “gần như” không đổi của chúng bằng cách hạn chế tối đa ảnh hưởng của thông số PVT (Process-Voltage-Temperatre). Từ khởi nguồn thiết kế vào những thập niên 60s và 70s ([6] - [9]), những thiết kế về bandgap 12 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 reference luôn được chú trọng và phát triển cho đến ngày nay. Những yếu tố được quan tâm trong thời điểm hiện tại của một thiết kế bandgap reference bao gồm: tối ưu hóa sai số gây bởi công nghệ thiết kế [8], điện áp cung cấp thấp [9]…Sau 40 nghiên cứu và phát triển mô hình mạch tham chiếu điện áp dưới – 1V được phát kiến và nghiên cứu [10] và đạt được hệ số phụ thuộc nhiệt độ (TC – temperature-coefficients) cực kỳ thấp[11] – khả năng này cho phép những mạch tham chiếu bandgap tạo ra được nguồn điện áp chuẩn hơn rất nhiều so với những kiến trúc cổ điển. Trong vi mạch tham chiếu điện áp việc tối ưu hóa những ảnh hưởng của các thông số PVT đạt được bằng việc sử dụng tính chất thay đổi theo nhiệt độ của Transistor Lưỡng Cực (BJT) hoặc cổ điển hơn là Diode.

Tuy nhiên, công nghệ MOSFET ngày càng phát triển với tốc độ rất nhanh, kích thước của các MOSFET ngày càng được giảm xuống nhằm tăng mật độ tích hợp linh kiện trên một đơn vị diện tích wafer khiến cho điện áp cung cấp cho những linh kiện cũng theo đó giảm xuống. Với điện áp cung cấp thấp việc tạo ra được một mạch sub-1V bandgap trở nên khó khăn hơn vì linh kiện Diode và BJT đòi hỏi phải có điện áp phân cực lớn trong khi đó các CMOS lại không đủ khả năng để thay đổi những thông số PVT.Chính vì vậy, yêu cầu đặt ra về một linh kiện với kiến trúc mới dành cho điện áp thấp và đảm bảo công suất thấp đã được nghiên cứu và phát triển. Linh kiện này được gọi là DTMOS được phát triển lần đầu tiên vào năm 1995 bởi Annema[12].Từ đó đến nay, những kiến trúc dựa trên kỹ thuật Dynamic Threshold lần lượt ra đời với ứng dụng ngày càng mở rộng.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 2. Cấu tạo – Hoạt động của NMOS và PMOS 2.

Cấu tạo Hình 2.1 Cấu tạo các lớp bán dẫn của nMOS. [19] MOS: metal-oxide-semiconductor. Là linh kiện có 4 cổng: gate (G), source (S), drain (D) and body (B). Kích thước linh kiện được đặc tả bằng chiều rộng W và chiều dài L của “channel region” như trên hình.

Có hai loại: n-channel (nMOS) và p-channel (pMOS). Với cấu tạo như trên, MOS cấu trúc giống như hai tụ điện xếp chồng lên nhau với lớp oxide nằm ở giữa. Hai lớp liên kết pn giữa cổng S-B và D-B như hai diode mắc ngược nhau, do đó, khi không có sự phân cực cổng G, dòng qua hai cổng S-D bằng (cutoff region). Hoạt động  Tạo kênh dẫn Hình 2.2 Tạo kênh dẫn cho nMOS [19] 14 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 Để MOS có thể dẫn, phải tạo một kênh dẫn từ cổng D đến S.

Một điện áp dương được đặc vào cổng G, tạo ra một điện trường và gây ra miền nghèo tại bề mặt tiếp xúc của p-type và lớp oxide bằng cách đẩy các lổ trống ra xa bề mặt, khi điện áp dương này thắng được điện áp Threshold Voltage (Vt) thì các electron bắt đầu tích tụ tại bề mặt tiếp xúc và tạo ra một miền dẫn từ cổng D đến cổng S.  Hoạt động của MOS khi vDS nhỏ Khi vGS >Vt, miền dẫn được tao ra. Khi đặt một điện áp vào cổng D, các electron di chuyển từ cổng S đến D thông qua miền dẫn, do đó dòng điện đi từ D đến S. Kênh dẫn được điều khiển bởi Overdrive Voltage vOV = vGS – Vt.

Số các electron mang điện trên kênh dẫn: |Q|=COX.vOV COX là điện dung trên một đơn vị diện tích. Lúc này, đặc tuyến I-V mô tả hoạt động của MOS có thể được xấp xỉ là tuyến tính.3 Đặc tuyến I-V của MOS khi VDS nhỏ [19]  Khi tăng dần vDS Hình 2.4 Ảnh hưởng của VDS lên kênh dẫn [19] 15 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 Do ảnh hưởng của điện áp vDS nên lúc này, kênh dẫn không còn đối xứng ở hai đầu cổng D-S nữa mà sẽ càng hẹp khi càng về cổng D. Khi đến một điện áp bão hòa VDsaturation=VGS – Vt, kênh dẫn sẽ hóp lại ở phía cổng D, lúc này dòng điện qua D-S sẽ bão hòa, cho dù VDS có tăng nữa. Do đó, phân thành hai vùng hoạt động của nMOS: Triode region: vDS< vDSsat.

Saturation region: vDS> vDSsat.5 Đặc tuyến làm việc của nMOS [19]  Các công thức Số lượng hạt dẫn trên 1 đơn vị diện tích QI(x)= Cox(vGS-Vt –v(x)). Điện trở vi phân dọc theo kênh dẫn. dx dx dR   q.QI ( x) Theo định luật Ohm: 16 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 iD dx iD dx dv  iD dR   nWQi ( x) nCox [vGS  Vt  v( x)] vDS L 0 nCox[vGS Vt  v( x)]dv  0 iDdx CoxW 1 2 iD  n [(vGS  Vt )vDS  vDS ] L 2 Đặt kn= μnCOX(W/L). Vậy: Triode region: iD=kn[(vGS – VT)vDS – 0.

Saturation region: iDsat= 0. Điện trở trên miền dẫn khi vDS nhỏ: rDS = 1/kn(vGS – Vt). Đối với pMOS, cấu tạo và hoạt động cũng tương tự, chỉ thay đổi giữa n-type và p-type, do đó lúc phân cực phải đặt vào cổng G một điện áp âm và thường đặt vào S điện áp dương để dẫn từ S đến D. Mô hình hóa NMOS Một nMOS có thể được mô hình hóa bằng một mạch tương đương dưới đây, gọi là mô hình large-signal ở miền bão hòa.6 Mô hình large-signal (saturation) của nMOS [19]  Điện trở ngõ ra Chiều dài kênh dẫn sẽ giảm khi vDS > vDSsat 17 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 Hình 2.7 Ảnh hưởng của vDS lên chiều dài kênh dẫn [19] Khi đó, dòng qua kênh dẫn sẽ được tính theo công thức.

vGS Vt L L 0 k 'n W [vGS  Vt  v(x)]dv   i dx 0 D 1 W 1 W L iD  k 'n (vGS  Vt ) 2  k 'n (vGS  Vt ) 2 (1  ) 2 L  L 2 L L L 1 W vDS  iD  k 'n (vGS  Vt )2 (1  vDS ) Vì rằng L 2 L Do đó, điện trở qua kênh dẫn được tính bằng công thức iD 1 k' W 1 V r0  [ ]vGS const  [ n (vGS  Vt ) 2 ]1   A vDS 2 L ID ID Lúc này, mô hình large-signal sẽ có thêm được trở ngõ ra Hình 2.8 Mô hình large-signal có thêm điện trở ngõ ra [19] VA: được gọi là Early Voltage. ID: dòng điện qua kênh dẫn miền bão hòa.  Mô hình tín hiệu nhỏ (small-signal model) Ở miền bão hòa 18 GVHD: PGS.TS HOÀNG TRANG HV: HUỲNH VĂN THỊNH 7140389 1 1 I D  kn (VGS  Vt )2  knVOV 2 2 2 VDS  VDD  I D RD  VOV MOS thường được sử dụng với chức năng khuếch đại áp ở miền bão hòa.