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.