analog challenge of nanometer cmos

8/13/2019 analog challenge of nanometer CMOS

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The analog challenge of nanometerCMOSM a a r t e n V e r t r e g t

NXP S e m i c o n d u c t o r s R e s e a r c h , E i n d h o v e n , T h e N e t h e r l a n d sm a a r t e n . v e r t r e g t nxp.com

A b s t r a c t :N a n o m e t e r CMOS t e c h n o l o g y o f f e r s t h e r e q u i r e d i n t e -g r a t i o n d e n s i t y f o r a d v a n c e d p r o d u c t s s u c h a s h o m et h e a t r e e q u i p m e n t a n d p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n d e v i c e s .T h e s y s t e m s o l u t i o n s i n s i d e t h e s e p r o d u c t s d e m a n dh i g h l y i n t e g r a t e d s y s t e m s - o n - s i l i c o n , b l e n d i n g h i g h -d e n s i t y d i g i t a l f u n c t i o n s w i t h a n a l o g i n t e r f a c e c i r c u i t s .T h e s e i n t e g r a t e d s o l u t i o n s h a v e t o c o p e w i t h h i g h d a t a -r a t e s , a n d t h u s r e q u i r e h i g h s p e e d a n d h i g h d y n a m i cr a n g e c i r c u i t s , w i t h o u t c o m p r o m i s i n g p o w e r c o n s u m p -t i o n . N o v e l c h o i c e s o n c i r c u i t a n d s y s t e m l e v e l a r e r e -q u i r e d t o h a n d l e t h e i n c r e a s e d n u m b e r o f d e v i c e s s u b j e c tt o h i g h v a r i a b i l i t y , r u n n i n g a t h i g h e r i n t r i n s i c s p e e d sw i t h a c o n s t r a i n t p o w e r s u p p l y .

1 . I n t r o d u c t i o nT h e s e m i c o n d u c t o r i n d u s t r y p r o s p e r s o n i t s a b i l i t y t oi n t r o d u c e m o r e v e r s a t i l e p r o d u c t s o l u t i o n s , e x p l o i t i n gM o o r e ' s Law w i t h e v e r i n c r e a s i n g n u m b e r s o f d e v i c e s , a ta n a p p r o x i m a t e l y c o n s t a n t p r i c e l e v e l . U n t i l t h e f i r s t s u b -m i c r o n CMOS t e c h n o l o g y n o d e s t h i s t r e n d w e n t l o n gw i t h c o m b i n e d i m p r o v e m e n t s i n t h e f a c t o r s s p e e d ( c l o c ka n d d a t a - r a t e ) a n d p o w e r e f f i c i e n c y . F o r t h i s r e a s o n t h a tp e r i o d o f t e c h n o l o g y s u c c e s s i o n i s r e f e r r e d t o a s t h e G o l d e n Y e a r s o f S c a l i n g .5-

3 . 3 e g a c y ,S u p p l y /[ V ] 2 . 5

> - . - LSTPLOP(D( D

T e c h n o l o g y Node [ n m ]1 00 0 8 00 5 0 0 3 5 0 250180 1 3 0 9 0 6 5 4 5 3 2

F i g u r e 1 S u p p l y v o l t a g e a n d t h r e s h o l d m i s m a t c h t r e n d s ,r e d u c i n g a v a i l a b l e d y n a m i c r a n g eN o w a d a y s , s p e e d a n d power e f f i c i e n c y are a t t r i b u t e s t h a tno l o n g e r come f o r f r e e w i t h t e c h n o l o g y s c a l i n g , b u t are

s t i l l v e r y much i n d e m a n d . P e o p l e w a n t a c c e s s t o , a n de x c h a n g e , t e n s o f g i g a b y t e s o f s t o r e d d a t a a s e a s i l y a n dq u i c k l y a s p o s s i b l e .F o r t h e n a n o m e t e r CMOS t e c h n o l o g y n o d e s , i t i s o n l yt h e d e n s i t y s c a l i n g t h a t r e m a i n s . And t h e c o n d i t i o n s f o rc i r c u i t o p e r a t i o n b e c o m e t i g h t e r e s p e c i a l l y d u e t o t h ei n c r e a s e d i m p a c t o f d o p e f l u c t u a t i o n s [ 1 ] , a s i l l u s t r a t e d i nF i g u r e 1 . T h e t e c h n o l o g y d i s c u s s i o n f o r t h e d i g i t a l d o -m a i n f o c u s e s o n t h e I o n / I o f f r a t i o . T h e s o l u t i o n s o f f e r e d b yt e c h n o l o g y r e s u l t e d i n a p r o c e s s c o m p l e x i t y i n c r e a s e :m u l t i p l e s u p p l y a n d t h r e s h o l d l e v e l s , m u l t i g a t e - o x i d e s ,v a s t i n c r e a s e i n n u m b e r o f m e ta l l e v e l s e t c . T h e a p p l i c a -t i o n n e e d s , p o w e r e f f i c i e n c y c o m b i n e d w i t h o p e r a t i o n a ls p e e d , h a v e t o b e m e t b y d e s i g n a r c h i t e c t u r e o p t i m i s a t i o na n d a d d i n g d e s i g n c o m p l e x i t y ( e . g . c l o c k g a t i n g , m u l t i -c o r e p a r a l l e l c o m p u t a t i o n , v o l t a g e i s l a n d s b y s u p p l yg a t i n g ) . R e v o l u t i o n a r y d e v i c e c o n c e p t s t h a t m a i n t a i n t h et r a d i t i o n a l h i g h I o n / I o f f r a t i o p r o m i s e a t u r n - a r o u n d . T h i se n h a n c e s f l e x i b i l i t y a t t h e e x p e n s e o f p r o c e s s a r c h i t e c -t u r e a n d f a b r i c a t i o n c o m p l e x i t y , i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 .

m H i g hC. 2 o n l o f fm u l t iU ) t h r e s h o l d

00S0C )

m u l t i g ao x i d eLow' o n / l o f f

c l o c k c o r e s u p p l yD e s i g n s o l u t i o n sF i g u r e 2 T e c h n o l o g y s o l u t i o n s a n d d e s i g n s o l u t i o n st o c o p e w i t h d i g i t a l s y s t e m c h a l l e n g e s

T h e s e c o n d a x i s o n w h i c h CMOS d e v i c e o p t i m i s a t i o n i sp e r f o r m e d i s i n t h e RF d o m a i n . T h e n e e d f o r c h e a p s y s -t e m s o l u t i o n s i n t h e u p c o m i n g GHz c o m m u n i c a t i o n s h a sf u e l l e d t h e d e m a n d f o r RF S y s t e m - o n - C h i p s . T h e f o c u sh e r e i s e s p e c i a l l y o n t h e RF p e r f o r m a n c e o f s i n g l e t r a n -s i s t o r s i n t h e l o w - n o i s e a m p l i f i e r , R F - t r a n s m i t t e r , t h el o c a l o s c i l l a t o r a n d f r e q u e n c y s y n t h e s i s b l o c k s . T h e s ed e v i c e s a r e b i a s e d i n r e g i m e s w i t h h i g h d r a i n a n d g a t ev o l t a g e s , e n a b l e d b y t h e s p e c i f i c e l e c t r o n i c d e s i g n o ft h e s e RF s t a g e s .

1 . 81 . 21 . 00 . 8

3 5CAVT 3 0[ m V ] 2 5

2 01 51 05


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C o n s e q u e n t l y RF p e r f o r m a n c e i s o p t i m i s e d a n d m e a s -u r e d a t b i a s s e t t i n g s c o r r e s p o n d i n g t o t h i s u s e , s e e F i g u r e3 .

N

100 1 5 0G a t e l e n g t h , nm

1-0 . 1 -

0 . 0 1 -0 . 0 0 1 -

0 . 0 0 0 1 -

F i g u r e 3 C u t- o f f f r e q u e n c y f t versus p h y s i c a l g a t e -l e n g t h f o r 9 0 - n m LP a n d GP d e v i c e s , f r o m [ 1 1 ]H o w e v e r , o p t i m i s i n g t e c h n o l o g y f o r d i g i t a l d e s i g n a n df o r RF d e s i g n d o e s n o t n e c e s s a r i l y c r e a t e t h e o p t i m u mo p e r a t i n g c o n d i t i o n s f o r t h e m a j o r i t y o f d e v i c e s t h a tf o r m s t h e h e a r t o f t h e a n a l o g i n t e r f a c e e l e c t r o n i c s .

2 . S y s t e m l e v e l a n a l y s i sF o r d i g i t a l ( s i g n a l ) processor c i r c u i t s , d a t a t h r o u g h p u t i si n c r e a s e d b y i m p l e m e n t i n g p a r a l l e l i s m ( m u l t i - c o r e proc-essors w i t h m u l t i - i n s t r u c t i o n a n d / o r m u l t i - d a t a s l o t s ) .R u n n i n g more s t r e a m s i n p a r a l l e l a t i n d i v i d u a l l y l i m i t e dc l o c k r a t e s e n h a n c e s d a t a - r a t e a n d i m p r o v e s power e f f i -c i e n c y [ 2 ] . P a r t ( i f n o t a l l ) o f t h e r e d u c t i o n f a c t o r o f anew t e c h n o l o g y n o d e i s t r a d e d f o r area b y i n c r e a s i n g t h en u m b e r o f d e v i c e s i n p a r a l l e l s i g n a l p a t h s t o s a t i s f y t h ei n c r e a s e d s p e e d / p o w e r d e m a n d s o f a n e x t g e n e r a t i o nf u n c t i o n . A t f i r s t g l a n c e a d d i n g more d e v i c e s seemsw a s t e f u l ; h o w e v e r t h e f l e x i b i l i t y a n d v e r s a t i l i t y o f t h ef u n c t i o n a l i t y o f f e r are g r e a t l y e n h a n c e d .A s i m i l a r t r e n d i s o b s e r v a b l e f o r a n a l o g i n t e r f a c e e l e c -t r o n i c s as w e l l . A l s o h e r e , d a t a - r a t e a n d power e f f i c i e n c yare k e y a s p e c t s t o new s o l u t i o n s . On a coarse t i m e - s c a l e ,F i g u r e 4 s h o w s t h e i m p r o v e m e n t i n c o n v e r s i o n e f f i -c i e n c y f o r t h e a n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r s i o n f u n c t i o n [ 3 ] .From t h e s i x t i e s b y d i g i t i z a t i o n o f t h e p l a i n o l d t e l e p h o n es e r v i c e ( c o n v e r t i n g a f e w kHz b a n d w i d t h s p e e c h s i g n a l ) ,power e f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t s a t a pace o f 1Ox perd e c a d e h a v e l e d t o ( u l t r a - ) w i d e b a n d c o n v e r s i o n p o s s i -b i l i t i e s b e y o n d 1 G H z - l e v e l per m W.

T b d a> ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ b us t / r e a l - t i meo G b a s 3 / H D v i d e o / g P f xi n s t r n s t r e a m i n gho n e K s e m u l t i - b a n d- t - c h a n n e l- ~ - s t a n d a r d

c e l l p h o n e sXNX ~ ~ ~ ~ ~ d i g i t a l M b l sXO ~ ~ ~ ~ a u d i o PCviei n s t r u m e n t a t i o nt e l e p h o n e I K b l s y e a r

7 0 8 0 9 0 0 0 1 0 2 0F i g u r e 4 P o w e r e f f i c i e n c y p r o g r e s s a t t h e a n a l o g - d i g i t a li n t e r f a c e ( a n d d a t a - r a t e s @ 1 0 0 m W ) , w i t h t h e e n a b l e da p p l i c a t i o n f i e l d s

T h e a p p l i c a t i o n s t h a t c a n a f f o r d t h e t e c h n o l o g y c o s t s t i l ln e e d t o d e v e l o p , b u t r e c e n t p u b l i c a t i o n s [ 4 , 5 ] a l r e a d ys h o w p o w e r e f f i c i e n c i e s b e y o n d 2 G H z - l e v e l s / m W i n t h e90nm t e c h n o l o g y n o d e . T h i s i s i d e n t i c a l t o c o n s u m i n g0 . 5 p J o f e n e r g y f o r c o n v e r t i n g a s i n g l e l e v e l i n a s a m p l e .A l l a n a l o g p r o c e s s i n g f r o m a n t e n n a t o c l e a n b i t s i n c l u d -i n g a n a l o g s u p p o r t i n g c i r c u i t r y r e q u i r e s t o d a y s e v e r a lh u n d r e d s o f n a n o J o u l e s . T h i s i s a n a m o u n t o f e n e r g ys u f f i c i e n t f o r 1 0 4 - 1 0 5 d i g i t a l o p e r a t i o n s p e r s e c o n d . T h i sg r o w i n g g a p b e t w e e n a n a l o g a n d d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s -i n g e f f i c i e n c y r e q u i r e s e n h a n c e d a t t e n t i o n f o r p o w e re f f i c i e n t o p t i m i s a t i o n o f a n a l o g CMOS i m p l e m e n t a t i o n .T h e f o l l o w i n g s e c t i o n p r e s e n t s a m e t h o d t o a n a l y z e t h eMOS d e v i c e p r o p e r t i e s f o r p o w e r e f f i c i e n c y i n a n a l o gd e s i g n , a s a n a l t e r n a t i v e t o t h e d i g i t a l f o c u s f o r I o n / I o f f ,a n d t h e RF f o c u s o n s m a l l - s i g n a l p e a k f a t e x t r e m e d r i v ev o l t a g e s .3 . D e v i c e a n a l y s i s m e t h o d

T h e s c a l i n g t r e n d f o r s u c c e s s i v e t e c h n o l o g y n o d e s i sa s s e s s e d o n t h e b a s i s o f t h e a c t u a l e l e c t r i c a l d e v i c e b e -h a v i o u r . T h e o p e r a t i n g p o i n t i s n o t i m p o s e d a s t h e r e s u l to f a s c a l i n g s c e n a r i o [ 6 ] b u t f o l l o w s f r o m t h e s i m u l a t e de l e c t r i c a l d e v i c e p r o p e r t i e s . T h e s e s i m u l a t i o n s a r e d o n ew i t h t h e s u r f a c e - p o t e n t i a l b a s e d P h i l i p s MOS m o d e lM o d e l 1 1 (MM1 1 ) , t h e p r e d e c e s s o r o f t h e new C o m p a c tM o d e l C o u n c i l s t a n d a r d MOS M o d e l PSP [ 7 ] . T h i s p r o -v i d e s a d e p e n d a b l e v i e w o f t h e MOS t r a n s i s t o r b e h a v -i o u r . T h e k e y d e v i c e p r o p e r t i e s a r e n o t t a k e n f r o m t h ei n p u t p a r a m e t e r s o f t h e MOS m o d e l , b u t d e r i v e d f r o mt h e s i m u l a t e d d r a i n c u r r e n t a n d i t s d e r i v a t i v e s i n s a t u r a -t i o n ( t h e v e r y q u a n t i t i e s a v a i l a b l e t o t h e d e s i g n e r f o rc i r c u i t c r e a t i o n ) . F i g u r e 5 g r a p h i c a l l y i l l u s t r a t e s t h e p r o -c e d u r e o n a 1 / 0 . 1 3 p t m NMOS d e v i c e f r o m a 0 . 1 3 p t mCMOS t e c h n o l o g y .


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a f u n c t i o n o f t h e t e c h n o l o g y n o d e a s w e l l a s d e v i c e t y p e .A l s o n o t e t h a t t h e e f f i c i e n c y b y w h i c h t r a n s c o n d u c t a n c eg . i s c r e a t e d p e r u n i t d r a i n c u r r e n t i m p r o v e s f o r l o w e rV g t .

U s a b l e b e t a ~ ~ ~ ~ sc creV g S c o r n e rt CO O C0 0 ; 0 r V g sF i g u r e 5 Key d e v i c e p r o p e r t y e s t i m a t i o n f o r c i r c u i t d e -s i g n ( a t V d , = 0 . 5 V , V , b = O V ) ; t h e s q u a r e - l a w o p e r a t i o nspans f r o m t h e Vgs i n t e r c e p t V t , s a t t o t h e Vgs cornerI n t h i s p r o c e d u r e t h e s q u a r e - l a w a p p r o x i m a t i o n o f t h et r a n s i s t o r d r a i n c u r r e n t i n s a t u r a t i o n , as g i v e n b y equa-t i o n ( 1 ) ,' d r a i n = I 2 ( V g s V t h 2 ) 1)i s e x p l o i t e d f o r i d e n t i f i c a t i o n o f r e l e v a n t d e v i c e opera-t i o n b o u n d a r y c o n d i t i o n s .T h e gm t a n g e n t a t t h e Vgs w h e r e a g m / a V g s i s a t i t s m a x i -mum i s u s e d a s a l i n e a r a p p r o x i m a t i o n f o r gm ( i n c r e a s i n gl i n e a r - w i t h - V g s b e y o n d t h r e s h o l d , as p r e s c r i b e d b y t h e s q u a r e - l a w m o d e l ) . T h e p e a k v a l u e o f a g m / a V g s i sp i c k e d as an e s t i m a t o r f o r t h e c u r r e n t f a c t o r , a n d c a l l e dt h e u s a b l e f 3 . T h i s u s a b l e f 3 a p p r o x i m a t i o n i s a p p l i c a b l eb e t w e e n two i n t e r c e p t p o i n t s . T h e f i r s t i n t e r c e p t p o i n t ,w h e r e t h e m a x i m u m - s l o p e gm t a n g e n t crosses w i t h g m = 0 ,i s u s e d as a t h r e s h o l d e s t i m a t o r V g s = V t , s a t . I t m a r k s t h eo n s e t o f t h e a p p r o x i m a t e d s q u a r e - l a w o p e r a t i o n o f t h ed e v i c e . T h e s e c o n d b o u n d a r y V g s = V g s , c o m e r i s f o u n d a t t h ecorner i n t e r c e p t o f t h e m a x i m u m - s l o p e gm t a n g e n t , a n dt h e ( v e l o c i t y - s a t u r a t e d ) , h o r i z o n t a l , gm t a n g e n t a t m a x i -mum g m . F o r V g s > V g s , c o m e r i t h e MOS t r a n s f e r c h a r a c t e r i s -t i c i s b e s t a p p r o x i m a t e d b y l i n e a r b e h a v i o u r .T h e s e a p p r o x i m a t i o n s are u s e d t o e s t a b l i s h r e l e v a n to p e r a t i n g b o u n d a r i e s , a n d d e t e r m i n e t h e s o - c a l l e ds q u a r e - l a w o p e r a t i o n span b e t w e e n t h e Vgs i n t e r c e p tV t , s a t a n d V g s , c o m e r ( t h e Vgs a t t h e gm corner i n t e r c e p t ) . T h eu s a b l e f 3 p a r a m e t e r e n a b l e s t h e d e s i g n - c e n t r i c i n t e r p r e t a -t i o n o f r e s u l t s across d i f f e r e n t d e v i c e g e o m e t r i e s a n dt e c h n o l o g y g e n e r a t i o n s . T h e u s a b l e f 3 m a r k s t h e Vgsrange t h a t i s p r e f e r r e d b y a n a l o g d e s i g n e r s : i t c o m b i n e s ar e a s o n a b l e c u r r e n t m o d u l a t i o n w i t h o u t r u n n i n g i n h e a d -room p r o b l e m s or l e a v i n g t h e s a t u r a t i o n r e g i m e .F o r a l l a n a l y s e s , t h e v a r i a t i o n i n b i a s c o n d i t i o n i s con-d u c t e d b y s w e e p i n g t h e v a r i a b l e V g t = V g s - V t , s a t , t h e g a t e -o v e r d r i v e v o l t a g e . T h e s e b i a s sweeps s t a r t ( f o r a l l t e c h -n o l o g i e s a n d a l l l e n g t h s ) a t e a c h r e s p e c t i v e V t , s a t v o l t a g e .T h e g a t e - o v e r d r i v e v a r i a b l e V g t i s a t r u e common r e f e r -ence t h r o u g h o u t t h e d e v i c e - l e v e l i n v e s t i g a t i o n . F i g u r e 6s h o w s g m / l d r a i n f o r 0 . 1 8 p i m , 9 0 n m , 6 5 n m , 4 5 n m , a n d32nm t e c h n o l o g y f l a v o u r s ( w i t h v a r y i n g t h r e s h o l d l e v -e l s ) , p l o t t e d v s . a common V g t x - a x i s . T h e v a l i d i t y o f t h en o r m a l i z e d g a t e - o v e r d r i v e a p p r o a c h i s c o n v i n c i n g l yd e m o n s t r a t e d t h r o u g h i n d i f f e r e n c e o f t h e g m / l d r a i n r a t i o as

3 0 . 02 5 . 0

r 2 0 . 0_ 1 5 . 0E1 0 . 0

5 . 00 . 0 - 0 . 1 0 . 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8

Vgt

F i g u r e 6 g m / I d r a i n v s . V g s - V t , s a t a t f i x e d V d s = 0 . 5 V , f o rL = L m i n o f s e v e r a l t e c h n o l o g y n o d e s ; N - a n d PMOST r e n d a n a l y s i s can now b e d o n e on b a s i s o f a compara-b l e o p e r a t i n g p o i n t f o r a l l d e v i c e t y p e s across m u l t i p l et e c h n o l o g y n o d e s

4 . D e v i c e t r e n d a n a l y s i sS e v e r a l d e v i c e b e h a v i o u r p r o p e r t i e s are e x p l o r e d a g a i n s tc h a n n e l l e n g t h , w i t h t e c h n o l o g y n o d e ( a n d g a t e o x i d et h i c k n e s s f l a v o u r ) as a p a r a m e t e r . A l l p r o p e r t i e s aren o r m a l i z e d per p i m d e v i c e w i d t h or per p i m 2 d e v i c e a r e a .5 0 .5 NMOS V d s = 0 . 5 V

E 0 . 40 . 3

LSTPi0 . 2 OP6 0 . 10 ^ AX t f ^ 4 ^ 4 ^ 4 A^ 4^-^ 4 ^2 0 4 0 6 0 8 0 1 C i O 1 i 2 0 1 4 0 1 1 1 6 0 1 8 0

L m i n , drawn [nm]F i g u r e 7 T r e n d o f t h e s q u a r e - l a w s p a n v o l t a g e a t t h eminimum c h a n n e l - l e n g t h , v s . L m i n drawn o f s e v e r a l t e c h -n o l o g y n o d e s a n d d e v i c e t y p e s ( L S T P - l o w s t a n d b ypower - a n d LOP - l o w o p e r a t i n g p o w e r - )T h e s e l e c t e d p r o p e r t i e s a r e :* t h e s q u a r e - l a w s p a n v o l t a g e as d e f i n e d i n s e c t i o n3 ( F i g u r e 7 )* t h e u s a b l e c u r r e n t f a c t o r b e t a - s q u a r e ( F i g u r e 8 )* t h e n o r m a l i z e d MOS c a p a c i t a n c e ( i n c l u d i n g j u n c -t i o n a n d o v e r l a p c a p a c i t a n c e , F i g u r e 9 )* t h e u n i t y g a i n f r e q u e n c y g m / 2 7 C C ( F i g u r e 1 0 ) .N o t i c e t h a t t h e s q u a r e - l a w s p a n v o l t a g e r e d u c e s l e s st h a n l i n e a r p r o p o r t i o n a l w i t h t h e f e a t u r e s i z e s c a l i n g f o rs u c c e s s i v e t e c h n o l o g y n o d e s ( 0 . 1 8 p t m t o 32nm n o d e ss h o w n ) . T h e f e a t u r e s i z e p r o p o r t i o n a l i t y i s o f t e n u s e d t op r e d i c t t h e c i r c u i t consequences o f t e c h n o l o g y s c a l i n g

t r e n d s b u t u n d e r es t i m a te s t h e d e v i c e c a p a b i l i t y [ 3 , 8 ] .

I l e - 3 -

8 e - 4 -6 e - 4 +4 e - 4 -2 e - 4 -

i n t e r c e p tV t 1 s a t 1O e + O0


4/8

B e i n g a b l e t o m a in t a i n s q u ar e- l aw b e h a v i o u r o v e r aw i d e r r a n g e i s b e n e f i c i a l f o r m a i n t a i n i n g a g o o d l i n e a r i t ya n d s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o i n many c i r c u i t a r c h i t e c t u r e s .T h i s i n v a r i a n t s q u ar e- l aw s p a n i s e x p l a i n e d b y t h e p e r s i s -t e n c e o f t h e 1 . 2 V p o w e r - s u p p l y , i . e . t h e a p p a r e n t c o n -s t a n t s u p p l y - v o l t a g e t e c h n o l o g y s c a l i n g f r o m t h e0 . 1 3 p t m t o 65nm LSTP n o d e s , w i t h o n l y a m a r g i n a l d e -c r e a s e t o I . l V f o r 4 5 n m , a n d IV f o r 32nm L S T P . N o t i c et h a t t h e LOP n o d e s ( t y p i c a l l y o p e r a t i n g a t s l i g h t l y l o w e rp o w e r s u p p l y l e v e l s t h a n LSTP t e c h n o l o g i e s ) e x h i b i t as l i g h t l y l o w e r s q u a r e - l a w - s p a n .

0 )c mC n

5 0 04 5 04 0 03 5 03 0 02 5 02 0 01 5 01 0 0 *5 00

NMOS V d S = 0 . 5 V* . 1 8 u m LSTP 9Onm LSTP

- X - 90nm LOP _65nm LSTP- + - 65nm LOP _45nm LSTP3 3 2 n m LOP Yrm

p e r - [ t m 2 r o l l - u p d u e t o i t s s h o r t minimum L . T h e r e a p -p e a r s t o b e n o m a g i c c a p a c i t a n c e r e d u c t i o n f a c t o r a s s o c i -a t e d w i th s u c h a n u l t r a - t h i n f l o a t i n g b o d y d e v i c e .E U. -

0c n0

5 0 -4 5 -4 0 -3 5 -3 0 -2 5 -2 0 -1 5 -1 0 -5 -0

0o

NMOS * . 18 u m L S T P9 O n m LSTP- E > - 90nm LOP65nm LSTP+ 65nm LOP4 5 n m L S T P

3 2 n m L O P_ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ -

06 . o oo oLdraW m6L d r a w n [ 1 0 g ( j P M ) ]F i g u r e 9 T o t a l NMOS d e v i c e c a p a c i t a n c e p e r p i m g a t e -w i d t h , n o r m a l i z e d p e r p t m c h a n n e l l e n g t h [ f F / t m 2 ]

0 _ - C M c o l t L O ( ) D I 1 c o a ) 0L d r a w n [ p m ]

F o r l o n g c h a nn el l e n g t h s , t h e i n c r e a s e o f c a p a c i t a n c ev a l u e s f r o m 0 . 1 8 p t m - 4 5 n m a p p r o x i m a t e l y d o u b l e s , d u et o t h e c a p a c i t a n c e - e q u i v a l e n t - o x i d e t h i c k n e s s r e d u c t i o nf r o m a p p r o x 3 t o 1 . 5 n m .F i g u r e 8 NMOS u s a b l e B e t a , ( f 3 n o r m a l i z e d x L e f f / W e f f )a s f u n c t i o n o f c h a n n e l l e n g t h f o r s e v e r a l t e c h n o l o g yn o d e sT h e t r e n d s f o r t h e u s a b l e c u r r e n t f a c t o r a r e g i v e n i nF i g u r e 8 . T h e u s a b l e f 3 f o r t h e m i n i m u m c h a n n e ll e n g t h o f a t e c h n o l o g y n o d e ( t h e a c t u a l c u r r e n t f a c t o ra v a i l a b l e f o r c i r c u i t d e s i g n ) i s d e g r a d i n g w i t h t e c h n o l o g ys c a l i n g . T h e e x p e c t e d i m p r o v i n g t r e n d i n f 3 = R C O , ( f a -v o u r a b l e s c a l i n g w i t h g a t e - o x i d e t h i c k n e s s ) i s s t i l l p r e -s e n t f o r l o n g e r t h a n m i n i m u m c h a n n e l l e n g t h s . T h i s a l s oh o l d s f o r t h e 32nm n o d e w h e r e a T C A D c a l i b r a t e d f i n -FET m o d e l i s d e p l o y e d [ 2 0 ] , a n d e s p e c i a l l y w h e n b i a s e dw i t h i n t h e s q u a r e - l a w r e g i m e t h e f i n F E T s t a n d s o u t [ 9 ,1 0 ] .T h e c a p a c i t a n c e a n d u n i t y - g a i n f r e q u e n c y r e s u l t s a r em o n i t o r e d a t a f i x e d V g t g a t e - o v e r d r i v e b i a s s e t t i n g p e rt e c h n o l o g y n o d e , i n d e p e n d e n t o f c h a n n e l l e n g t h . T h i so p e r a t i n g p o i n t i s c h o s e n a t t h e u p p e r V g t , c o r n e r v a l u e o ft h e s q u a r e - l a w s p a n ( t h e v a l u e s o f w h i c h a r e p l o t t e d i nF i g u r e 7 ) f o r t h e s h o r t e s t c h a n n e l l e n g t h p e r t e c h n o l o g y( a l w a y s a t c o n s t a n t V d = 0 . 5 V ) , a n d k e p t a t t h a t v l u e f o ra l l c h a n n e l l e n g t h s . T h i s o p e r a t i n g p o i n t y i e l d s a h i g h -l i n e a r i t y b i a s c o n d i t i o n f o r s m a l l - s i g n a l h i g h - f r e q u e n c yc i r c u i t o p e r a t i o n . A t t h i s s q u a r e - l a w c o r n e r o p e r a t i n gp o i n t , a n d f o r s e v e r a l t e c h n o l o g i e s , t h e d e v i c e c a p a c i -t a n c e ( j u n c t i o n + MOS C g a t e ) p e r p t m g a t e w i d t h i s p l o t t e da s a f u n c t i o n o f t h e l e n g t h i n F i g u r e 9 . T h e s e r e s u l t s a r en o r m a l i z e d t h r o u g h d i v i s i o n b y t h e d r a w n l e n g t h . O b v i -o u s l y , s u c h a n o r m a l i z e d c a p a c i t a n c e ( f F / L m 2 ) i n c r e a s e sf o r s h o r t e r c h a n n e l l e n g t h , a s t h e r e l a t i v e c o n t r i b u t i o n o ft h e e d g e ( o v e r l a p , f r i n g e , a n d j u n c t i o n c a p a c i t a n c e ) i n -c r e a s e s . T h e 32nm n o d e , d e s p i t e o f h a v i n g a f i n F E Ta r c h i t e c t u r e , s h o w s t h e h i g h e s t n o r m a l i z e d c a p a c i t a n c e -

NI000 _02

1 4 0 - T1 2 0 +1 0 0 8 0 +

NMOS9 O n m LSTP- X - 90nm LOP6 5 nm L ST P- - 65nm LOP45nm LSTP-*- .18um LSTP32nm LOP

6 0 +40+2 00 006 L n06 06 . L n6

0C J6 L nC N 46 06 L n6 06L d r a w n [ p m ]F i g u r e 1 0 S m a l l - s i g n a l u n i t y g a i n f r e q u e n c y ( a t t h ec o r n e r V g t o p e r a t i n g p o i n t ) v s . c h a n n e l l e n g t hT h e l o a d c a p a c i t a n c e v a l u e f o r c a l c u l a t i n g t h e u n i t y - g a i nf r e q u e n c y ( F u g = g / 2 7 C C , s e e F i g u r e 1 0 . T h e s m a l l - s i g n a lu n i t y g a i n f r e q u e n c y i s c h o s e n a s t h e c a p a c i t a n c e f o r t h es a m e d e v i c e a n d o p e r a t i n g p o i n t f r o m w h i c h t h e g . i st a k e n , i n c l u d i n g i t s a s s o c i a t e d d r a i n j u n c t i o n c a p a c i t a n c e .T h e maximum u n i t y - g a i n f r e q u e n c y f o r t h e c h o s e n o p e r -a t i n g p o i n t i n c r e a s e s f o r t h e m i n i m u m c h a n n e l s f r o m26GHz a t 0 . 1 8 p t m t o 128GHz f o r t h e 32nm LSTP n o d e .N o t e t h a t t h i s a n a l y s i s m e t h o d y i e l d s 2 5 - 3 5 % l e s s m a x i -m u m u n i t y g a i n f r e q u e n c y t h a n e . g . i n F i g u r e 4 . F o rl o n g e r t h a n m i n i m u m c h a n n e l l e n g t h s t h e s m a l l s i g n a lb a n d w i d t h c u r v e s f r o m d i f f e r e n t t e c h n o l o g y n o d e s f a l lo n t o p o f e a c h o t h e r . T h i s b e h a v i o u r w a s c o n f i r m e d i nm e a s u r e m e n t s [ 1 1 ] . A w e l l k n o w n i s s u e o f s c a l e d d e -v i c e s i s t h e e v e r r e d u c i n g i n t r i n s i c d e v i c e g a i n g m / g d s .

i ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

I --I


5/8

T h i s i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 1 . T h e g a i n a t minimumc h a n n e l l e n g t h i s s t i l l a p p r o x i m a t e l y 2 0 x f o r t h e 0 . 1 8 p i mn o d e , a n d a m e r e 6 x f o r t h e 65nm t e c h n o l o g y n o d e . T h es u p e r i o r c h a n n e l c o n t r o l o f t h e F i n F E T d e v i c e p r o m i s e s b r e a k t h r o u g h , a n d b r i n g s t h e g a i n b a c k t o 2 0 x f o rL m i n = 3 2 n m a c c o r d i n g t o T C A D - b a s e d d e v i c e s i m u l a -t i o n s . T h i s h i g h s m a l l - s i g n a l g a i n g m / g d , o u t o f a r e v o l u -t i o n a r y d e v i c e c o n c e p t r e - e n a b l e s c o n v e n t i o n a l d e s i g nt e c h n i q u e s a l l o w i n g d i s t u r b a n c e s u p p r e s s i o n b y f e e d b a c kt e c h n i q u e s , a n d g o o d c o m m o n - m o d e a n d s u p p l y r e j e c -t i o n .8 0 T7 0 +

1 -

I -1 -

v 6 0 -5 0 -_

@ 4 0 -._

= 5 3 0 -Q m2 0 -1 00 o L O L O L O L O co o _ _ c J c i X X c

L d r a w n 6 6 M ]

0i2 5 0 c mEc m2 0 0 m0 )01 5 0 >1 0a

i n w L

t h e s a m e u n i t y g a i n s e t t l i n g b a n d w i d t h s p e n d i n g m e r e0 . 3 3 m W . E s p e c i a l l y d i g i t a l a n d o t h e r l a r g e - s i g n a lc i r c u i t s s u c h a s c l o c k b u f f e r s a n d p o w e r a m p l i f i e r s a r ei m p a c t e d m o r e b y l a r g e - s i g n a l s l e w - r a t e b a n d w i d t hI d r a i n / 2 T C C V t h a n b y s m a l l - s i g n a l s e t t l i n g b a n d w i d t hg m / 2 T C .1 0 0 . 0 NOB9 ~ ~ ~ N M O S

9 0 . 0 w - * S +d s = O . 5 VI 8 0 . 0 47 0 . 0E 6 0 . 0 i n c r e a s i n- 5 0 . 0 WxL=l> 4 0 . 00a - E S - . 1 8 u m LSTP. ) 3 0 . 0 90nm LSTPX 9 - n m LOP2 0 . 0 -*65nm LSTP

4 - - 6 5 n m LOP1 0 . 0 -45nm LSTPO 32nm LOPX 0 . 01 . 0 0 1 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0u n i t y g a i n BW [ G H z ]

g L ,I , u m 2

- - 3 E F i g u r e 1 2 S m a l l - s i g n a l s e t t l i n g p o w e r e f f i c i e n c y ( f o r 1 i m50 d e v i c e a r e a ) v s . u n i t y g a i n b a n d w i d t h a t t h e V g t , c o m e r o p e r a t -i n g p o i n t00 j

F i g u r e 1 1 S m a l l - s i g n a l d e v i c e g a i n v s . c h a n n e l l e n g t h( b i a s e d a t h a l f t h e p e a k g m v a l u e )T h i s n a n o m e t e r CMOS d e v i c e a n a l y s i s s u g g e s t s t h a t( w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e s m a l l - s i g n a l d e v i c e g a i n ) n od i s r u p t i v e c h a n g e s a r e f o r e s e e n w i t h r e g a r d t o t h e r e l e -v a n t a n a l o g d e v i c e t r e n d s .

5 . C i r c u i t l e v e l i n v e s t i g a t i o nI n [ 1 2 ] t h i s d e v i c e l e v e l a n a l y s i s w a s e x t e n d e d t o a na n a l o g - t o - d i g i t a l c o n v e r t e r b u i l d i n g b l o c k . H e r e a s i m i l a ra n a l y s i s i s p e r f o r m e d f o r t h e s e t t l i n g p o w e r e f f i c i e n c y .T h i s i s t h e s m a l l - s i g n a l u n i t y - g a i n b a n d w i d t h p e r u n i tp o w e r , a n d t h e t r e n d r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e 1 2 .T h e b e n e f i t o f t h e h i g h e r u s a b l e b e t a ( F i g u r e 8 ) f o r c h a n -n e l l e n g t h s b e y o n d m i n i m u m w i t h i n a c e r t a i n t e c h n o l o g yn o d e , e x p r e s s e s i t s e l f a s a n i m p r o v ed p o w e r e f f i c i e n c y( p r o v i d e d t h e n o r m a l i z e d c a p a c i t a n c e p e r u n i t a r e a i si n v a r i a n t a t a f i x e d L d r a w n a s s h o w n i n F i g u r e 9 ) . F o re x a m p l e , i n t h e 0 . 1 8 p t m t e c h n o l o g y n o d e 1.6mW n e e d st o b e s p e n t p e r l u m 2 d e v i c e a r e a t o r e a c h t h e h i g h e s ta c h i e v a b l e 26GHz s m a l l - s i g n a l u n i t y g a i n b a n d w i d t h . Ad e s i g n e r c a n now c h o o s e t o e x p l o i t t h e h i g h e r b a n d w i d t hc a p a b i l i t y o f a new t e c h n o l o g y n o d e a t a p p r o x i m a t e l yc o n s t a n t p o w e r e f f i c i e n c y . T h e d i s s i p a t e d p o w e r w i l li n c r e a s e p r o p o r t i o n a l w i t h t h e i n c r e a s e d u n i t y g a i nb a n d w i d t h t o 6.3mW f o r 1 p L m 2 a t 128GHz i n t h e 32nmn o d e . O r t h e d e s i g n e r c a n c h o o s e t o e x p l o i t t h e 32nmt e c h n o l o g y a t a f i x e d 26GHz s e t t l i n g b a n d w i d t h a n di m p r o v e p o w e r e f f i c i e n c y b y n e a r l y a f a c t o r 5 t o r e a l i z e

I n o r d e r t o c h e c k w h e t h e r p o w e r e f f i c i e n c y b e n e f i t sa p p e a r a l s o i n t h i s l a r g e - s i g n a l c a s e , a s e t o f r i n g -o s c i l l a t o r s w i t h v a r y i n g c h a n n e l l e n g t h a n d c o n s t a n ta c t i v e a r e a w a s a n a l y s e d w i t h i n t h e 65nm t e c h n o l o g yn o d e . T h e maximum o s c i l l a t i o n f r e q u e n c y a n d t h ed y n a m i c p o w e r e f f i c i e n c y ( n o r m a l i z e d t o 1 p L m 2 d e v i c ea r e a ) w e r e d e t e r m i n e d . T h i s a n a l y s i s w a s d o n e b o t h i ns i m u l a t i o n a n d o n s i l i c o n m e a s u r e m e n t s . T h e r e s u l t s a r es h o w n i n F i g u r e 1 3 .5 0 ; s

I

q0N

, - 3 0.Oa

. I Ut 2 00a .X E m 1 0C _0 1

01 1 0 1 0 0F i g u r e 1 3 L a r g e - s i g n a l p o w e r e f f i c i e n c y n o r m a l i z e d o n1 p r m 2 t o t a l i n v e r t e r a r e a v e r s u s t h e maximum o s c i l l a t i o nf r e q u e n c y : s i m u l a t e d ( t h i c k s o l i d l i n e ) , a n d m e a s u r e d ( d o t -t e d l i n e s , 3 3 s a m p l e s )

S i m i l a r t o t h e s m a l l - s i g n a l c a s e , p o w e r e f f i c i e n c y c a n b ei m p r o v e d . A t o n e t e n t h o f t h e maximum a c h i e v a b l eo s c i l l a t i o n f r e q u e n c y w i t h i n o n e a n d t h e s a m e 65nm

I I,


6/8

t e c h n o l o g y n o d e , l a r g e - s i g n a l p o w e r e f f i c i e n c y c a n b ei m p r o v e d 3 x b y i n c r e a s i n g t h e d e v i c e l e n g t h a t c o n s t a n td e v i c e a r e a . B o t t o m l i n e c o n c l u s i o n i s t h a t s c a l e dt e c h n o l o g i e s s t i l l h a v e h e a l t h y p r o p e r t i e s f o r a n a l o gc i r c u i t d e s i g n ( t h e t y p e o f d e s i g n t h a t i s n o t b o u n d t of e a t u r e s i z e c h a n n e l l e n g t h o n l y ) . H i g h e r o p e r a t i o n a ls p e e d c a n b e o b t a i n e d b y u s i n g t h e s h o r t e s t c h a n n e ll e n g t h s , a t t h e e x p e n s e o f p r o p o r t i o n a l l y m o r e p o w e r .U s i n g a d v a n c e d p r o c e s s e s a t s l i g h t l y r e l a x e d c h a n n e ll e n g t h s i m p r o v e s t h e p e r f o r m a n c e / p o w e r r a t i o .6 . V a r i a b i l i t y i m p a c t

A n a l o g d e s i g n h a s a l o n g h i s t o r y i n r e c o g n i z i n g t h e d e -t e r m i n i s t i c b a c k g r o u n d o f f l u c t u a t i o n ( t e m p e r a t u r e d e -r a t i n g , m e t a l d e n s i t y , w e l l e d g e d i s t a n c e , a n d s u b - h a l f -w a v e l e n g t h e x p o s u r e ) a n d o p e r a t i o n a l h a n d l i n g o f r a n -dom s t o c h a s t i c e f f e c t s ( m i s m a t c h , j i t t e r ) . T h i s k n o w l -e d g e c a n , a n d i s b e i n g e x p l o i t e d t o c o p e w i t h t h e h u g en u m b e r o f e f f e c t s t h a t a r e c l a s s i f i e d u n d e r v a r i a b i l i t y( e . g . S T I s t r e s s , w e l l p r o x i m i t y , s t a t i s t i c a l t i m i n g , a n dl a y e r d e n s i t y u n i f o r m i t y ) . F u r t h e r m o r e many e f f e c t sp l a y i n g a m a j o r r o l e o n t h e s c a l e o f b i l l i o n - t r a n s i s t o rd i g i t a l c i r c u i t b l o c k s a r e l e s s r e l e v a n t f o r a n a l o g b u i l d -i n g b l o c k s , a s t h e s e c i r c u i t s h a v e a c o m p l e x i t y s c a l e o f1 t r a n s i s t o r c o u n t o r l e s s c o m p a r e d t o s t a t e - o f - a r t d i g i -t a l . T h i s m a k e s t h e d i s c u s s e d p o w e r e f f i c i e n c y a d v a n -t a g e a t l o n g e r c h a n n e l l e n g t h s a f e a s i b l e a l t e r n a t i v e f o ra n a l o g c i r c u i t u s e i n s c a l e d t e c h n o l o g i e s . T h e i m p a c t o ft e m p e r a t u r e d e - r a t i n g i s i l l u s t r a t e d b y F i g u r e 1 4 .1 E - 8 NMOS L = . 3 5 p t m , V d s = V d d , n o m

: e 1 E - 9

1 E - 1 2 ~~~ + - 6 5 n 1 8 m L S T P _ 4 5 ~ ~ ~ ~ 9 n m LSTP1 E - 1 2 3 - 3 2 n m L S T P

- 4 0 . 0 - 2 0 . 0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 0T e m p e r a t u r e [ C ]F i g u r e 1 4 D e v i c e l e a k a g e a s f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r eF o r LSTP d e v i c e s , t h e o f f c u r r e n t i s d o m i n a t e d b y t h et e m p e r a t u r e d e p e n d a n t s o u r c e - d r a i n c h a n n e l l e a k a g e .O n l y f o r LOP t e c h n o l o g i e s b e y o n d t h e 90nm n o d e , g a t el e a k a g e o v e r r u l e s s o u r c e - d r a i n c h a n n e l l e a k a g e a t e l e -v a t e d t e m p e r a t u r e s . F o r LOP t h i s h a s t h e a d v a n t a g e t h a th a r d l y a n y t e m p e r a t u r e d e - r a t i n g r e m a i n s , a t t h e e x p e n s eo f t h i s h i g h l e a k a g e l e v e l ( h u n d r e d s o f mA f o r a b i l l i o nt r a n s i s t o r d e s i g n ) . N o t i c e t h e e x t r e m e p r o m i s e o fs t a n d b y c o n d i t i o n i m p r o v e m e n t w i t h t h e 32nm f i n F E Ta r c h i t e c t u r e . F o r c o n v e n t i o n a l b u l k d e v i c e a r c h i t e c t u r e sb e y o n d t h e 65nm n o d e , t h i s l o w s t a n d b y l e v e l w i l l b ed i f f i c u l t t o r e a c h .E x p l o i t a t i o n o f t h e n a n o m e t e r s c a l e t e c h n o l o g i e sr e q u i r e s g o o d e x p o s u r e c o n t r o l ( w i t h g o o d r e p r o -

d u c i b i l i t y a n d t h u s a C p k a b o v e 0 . 5 ) , w h i c h m e a n s t h a tt h e t r a d i t i o n a l f r e e d o m i n d i m e n s i o n c h o i c e w i l l b er e s t r i c t e d ( F i g u r e 1 5 ) .1 3 0 1 7 5 2 0 0 I N A = 1 n A

0 dC . )1 . 61 . 41 . 2 -1-0 . 80 . 60 . 40 . 20-0

1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0P i t c h [ n m ] 3 0 0F i g u r e 1 5 S u b - h al f w a v e l e n g t h e x p o s u r e : f o r b i d d e np i t c h e sP r i n t a b i l i t y a t s u b - h a l f w a v e l e n g t h p i t c h e s s i m p l y r e -q u i r e s g o o d u n i f o r m i t y a n d p o s e s e x t r a c o n d i t i o n s t oa c c o u n t f o r d u r i n g l a y o u t . P o s i t i v e s i d e o f t h e s e u n i f o r m -i t y r e s t r i c t i o n s i s a h o m o g e n i z e d l a y o u t e n v i r o n m e n tr e m o v i n g u n w a n t e d s o u r c e s o f v a r i a b i l i t y ( s e e F i g u r e. 4 ' \

F i g u r e 1 6 s i n g l e p i t c h l a y o u t : i m p r o v e d e x p o s u r eF u r t h e r m o r e , t h e s e a d d i t i o n a l u n i f o r m i t y r e s t r i c t i o n sm a k e t h e l a y o u t s t y l e o f c o n v e n t i o n a l b u l k d e s i g n s v e r ys i m i l a r t o t h e p l a c e m e n t o f m u l t i p l e s o f a u n i t c e l l f o rf i n F E T s ( s e e F i g u r e 1 7 ) ._ _ _ i l k RIFEI

F i g u r e 1 7 H o m o g e n i z e d b u l k l a y o u t s i m i l a r t oq u a n t i z e d f i n F E T l a y o u tF o r t h e s e s m a l l d e v i c e s , i t b e c o m e s i n t e r e s t i n g t o j u d g et h e i m p a c t o f t h e l o c a l d e v i c e - t o - d e v i c e m i s m a t c h p r o -p o r t i o n a l t o 1 < ( a r e a ) i n c o m p a r i s o n t o t h e g l o b a l p r o c -e s s v a r i a t i o n [ 1 3 ] . F o r many p r o c e s s g e n e r a t i o n s p r o p o r -t i o n a l i t y e x i s t e d o f t h e m i s m a t c h f a c t o r A V T w i t h t h eg a t e o x i d e t h i c k n e s s , w h i c h s c a l e d w i t h f e a t u r e s i z e .F i g u r e 1 8 s h o w s t h e t r e n d o f t h i s m a t c h i n g c o n s t a n tf r o m t h e 0 . 5 p t m n o d e , t h r o u g h t h e 0 . 1 8 p t m n o d e , t o t h e


7/8

65nm n o d e . B e t w e e n t h o s e l a s t t w o n o d e s t h e p r o p o r -t i o n a l i t y n e a r l y d i s a p p e a r s . T h e o x i d e t h i c k n e s s s c a l i n gi s l e s s a g g r e s s i v e a n d a d d i t i o n a l c h a r g e f l u c t u a t i o n c o n -t r i b u t i o n s d o m i n a t e . F i g u r e 1 9 s h o w s t h a t l o c a l m i s -m a t c h f l u c t u a t i o n f o r s m l l d e v i c e s h a s r e a c h e d a s i m i -l a r m a g n i t u d e a s t h e g l o b a l p r o c e s s s p r e a d . 0 _ 5 i i m N M C ) S o , A

6G A V T( m V ) 4 ,0 . 1 * A 0 . 1 8 gm N M O S

/* . . A . . . . T i n 6 m V' W L

0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 . 0 2 . 21 / V W L i n 1 / p mF i g u r e 1 8 S t a n d a r d d e v i a t i o n o f m i s m a t c h f l u c t u a t i o n r e -m a i n s n e a r l y c o n s t a n t a f t e r t h e 0 . 1 8 pm n o d e ( 6 5 nm d a t ab y c o u r t e s y H . T u i n h o u t a n d C r o l l e s - 2 A l l i a n c e ) .N o t e t h a t l o c a l v a r i a t i o n s b e t w e e n t r a n s i s t o r s c a n h a v e am u c h m o r e s e v e r e i m p a c t t h a n a g l o b a l p r o c e s s s p r e a d .A c l e a r e x a m p l e i s t h e d e s i g n o f S t a t i c RAM c e l l s ,w h e r e t h e m i s m a t c h p r o b l e m s h a v e l e d t o a r c h i t e c t u r e st h a t u s e m o r e t h a n t h e t r a d i t i o n a l 6 t r a n s i s t o r s t o f o r m amemory c e l l .

0 . 9 0V p1 0 . 8 0

0 . 7 0 X

0 . 6 0

0 . 5 0

x

0 . 3 0 0 . 4 0 0 . 5 0

c d y pE s n s pA s n f p+ f n s px f n f p

0 . 6 0 0 . 7 0 V n

1 . 5 v o l t

I V P S1 0 pA

jVn

( s i m u l a t i o n )F i g u r e 1 9 M i s m a t c h f l u c t u a t i o n s c a t t e r p l o t f o rW / L = 0 . 2 / 0 . 1 , P v e r s u s Nmos d i o d e v o l t a g e ( 9 O n mn o d e ) .

s t r a i n t s o f d e v i c e m i s m a t c h [ 1 4 , 1 5 , 1 6 , 5 ] . T h i s l e a d s t ob u i l d i n g b l o c k a r c h i t e c t u r e s a s s h o w n i n F i g u r e 2 1 . I n -t e g r a t i o n d e n s i t y a n d l o n g - t e r m s t o r a g e f u n c t i o n a l i t y o fd i g i t a l d e s i g n i s e x p l o i t e d t o c r e a t e a s o l u t i o n w i t h b e t t e rp o w e r a n d a r e a e f f i c i e n c y .600. = _:UU 1 4 4

Afl f l i

2 0 . 0 L 1 __. 0 __Glob~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ e t ap a . 0 _ _ D _ O _ 1 O n i l i n 2 . 0 n 2 . . 5 n o. O nTime b i n

F i g u r e 2 0 H i s t o g r a m o f g l o b a l f l u c t u a t i o n ( t i m i n g b i n sa r o u n d 2 n s ) a n d l o c a l d i f f e r e n t i a l f l u c t u a t i o n ( t i m i n gb i n s a r o u n d O n s ) o f c l o c k e d g e a r r i v a l t i m e a c r o s s t w o3 5 - s t a g e b u f f e r b r a n c h e s i n 65nm t e c h n o l o g y n o d e

H a v i n g t h e t e c h n i q u e o f c a l i b r a t i o n e s t a b l i s h e d m e a n st h a t , a l s o f o r a n a l o g b u i l d i n g b l o c k d e s i g n , m u l t i - p a t hs i g n a l h a n d l i n g b e c o m e s f e a s i b l e . When i n t e r l e a v e d ,t h e s e c a l i b r a t e d s i g n a l p a t h s c a n r u n i n d i v i d u a l l y a tl o w e r s p e e d s ( w h i c h i s g o o d f o r p o w e r e f f i c i e n c y [ 1 7 ,1 8 ] ) , o r o v e r a l l s p e e d c a n b e m a x i m i s e d [ 1 9 ] .

t o D i g i t a lD e c o d e r

L2 B i tO u t p u tT h e i m p a c t o f l o c a l v a r i a t i o n s c a n b e i l l u s t r a t e d o n t h et i m e - s k e w c o n s e q u e n c e f o r c l o c k d i s t r i b u t i o n i n a c l o c kt r e e . W h e r e a s a w e l l - b al a nc e d c l o c k t r e e a i m s a t s y s -t e m a t i c r e d u c t i o n o f t h e t i m e s k e w b e t w e e n d i f f e r e n tb r a n c h e s o f a c l o c k t r e e , m i s m a t c h f l u c t u a t i o n p u t s al o w e r l i m i t t o t h e a c h i e v a b l e r e s u l t s . T h e o n e s i g m as p r e a d o n t h e g l o b a l a r r i v a l t i m e i s 1 8 0 p s , a n d t h e o n es i g m a s p r e a d f o r d i f f e r e n t i a l a r r i v a l t i m e i s 3 0 p s . T h e r e -f o r e b u f f e r i n s e r t i o n t o b a l a n c e t h e a r r i v a l t i m e d o e s n th e l p a n y m o r e o n c e a t i m e a l i g n m e n t o f s e v e r a l t e n s o fp i c o s e c o n d s i s r e a c h e d .C o u n t e r m e a s u r e s - b y - d e s i g n t o b r i n g v a r i a b i l i t y u n d e rc o n t r o l a r e p u r s u e d . F o r l o c a l ( m i s m a t c h ) v a r i a b i l i t y i na n a l o g d e s i g n t h e r o u t e t o f o l l o w i s a u t o - c a l i b r a t i o n .T h i s d i g i t a l l y e n h a n c e d a n a l o g i s b e c o m i n g m o r e a n dm o r e e s t a b l i s h e d t o b r e a k a w a y f r o m t h e a r e a c o n -

F i g u r e 2 1 A u t o - c a l i b r a t i o n m i x e d - s i g n a l b u i l d i n g b l o c ka r c h i t e c t u r e [ 1 4 ]G l o b a l v a r i a b i l i t y o f d i g i t a l c i r c u i t b l o c k s i s k e p t u n d e rc o n t r o l b y d i v i d i n g a c h i p i n t o m u l t i p l e v o l t a g e d o -m a i n s . F o r t h o s e d o m a i n s , d y n a m i c p o w e r d i s s i p a t i o n i sh a n d l e d b y a c t i v e s u p p l y c o n t r o l , a n d p o w e r s w i t c h e sa r e u s e d t o k e e p s t a n d b y p o w e r a t t h e d e s i r e d l e v e l .

7 . C o n c l u s i o n s a n d o u t l o o kA s c a l i n g t r e n d a n a l y s i s o f a n a l o g c i r c u i t p e r f o r m a n c e i nCMOS t e c h n o l o g y h a s b e e n p r e s e n t e d . A d e v i c e - c e n t r i cv i e w o n t h e p r o s p e c t s f o r f u t u r e c i r c u i t d e s i g n i s c r e a t e d

f 4 u . u


8/8

b y a n a l y s i n g t h e MOS t r a n s i s t o r i n d e s i g n - c e n t r i cb o u n d a r y c o n d i t i o n s . A l s o a t a m o d e s t o p e r a t i n g b i a s , ah i g h e r a n a l o g c i r c u i t b a n d w i d t h i s r e a c h e d w h e n s c a l i n gt o m o r e a d v a n c e d t e c h n o l o g y n o d e s . F o r a p p l i c a t i o n ss u b j e c t t o c o n s t a n t b a n d w i d t h s p e c i f i c a t i o n s , s i g n i f i c a n tp o w e r e f f i c i e n c y i m p r o v e m e n t s c a n b e o b t a i n e d w h e ns c a l i n g t o a n e x t t e c h n o l o g y n o d e . An i n v a r i a n t n o r m a l -i z e d c a p a c i t a n c e , i n c o m b i n a t i o n w i t h a h i g h e r c u r r e n tf a c t o r ( u s a b l e 3 , ) a t n o n - m i n i m u m c h a n n e l l e n g t h sc a u s e s t h i s a d v a n t a g e .N e v e r t h e l e s s , e x p l o i t a t i o n o f t h e i n t e g r a t i o n d e n s i t y a n ds p e e d b e n e f i t s o f new t e c h n o l o g y n o d e s r e q u i r e s t h ea n a l o g f u n c t i o n s t o b e m a p p e d o n m o r e d e v i c e s w i t h as m a l l e r d e v i c e a r e a . T h e i n c r e a s e d m i s m a t c h f l u c t u a t i o ni s d e a l t w i t h b y a n e x p a n s i o n o f d i g i t a l c o n t r o l l o o p s .More a n d m o r e d i g i t a l h a r d w a r e i s b e i n g s p e n t f o r c o r -r e c t i o n . T h i s a p p r o a c h s t a r t e d w i t h m a n u a l t r i m m i n g a n dr e d u n d a n c y , s u b s e q u e n t l y a u t o - c a l i b r a t i o n , a n d n o w a -d a y s b y d i g i t a l s i g n a l - c o r r e c t i o n p r o c e s s i n g t o c o m p e n -s a t e f o r s i g n a l i m p a i r m e n t s c r e a t e d b y p o o r a n a l o g d e -v i c e p r o p e r t i e s . I n o r d e r t o a d d r e s s t h e i n e v i t a b l y l a r g ed e v i c e f l u c t u a t i o n s i n t h e n a n o m e t e r CMOS e r a c i r c u i ta r c h i t e c t u r e s w i t h i n c r e a s e d t o l e r a n c e s w i l l b e n e e d e d t oa v o i d m a n u f a c t u r i n g y i e l d l i m i t a t i o n s .

8 . A c k n o w l e d g e m e n tT h e a u t h o r g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e s t h e c o n t r i b u t i o n sa n d d i s c u s s i o n s w i t h h i s c o l l e a g u e s a t NXP S e m i c o n d u c -t o r s .

[ 1 1 ] L . F . T i e m e i j e r , e t . a l . , R e c o r d RF p e r f o r m a n c e o fs t a n d a r d 9 0 nm CMOS t e c h n o l o g y 2 0 0 4 I EDM T e c h n i -c a l D i g e s t p a g e ( s ) : 4 4 1 - 4 4 4[ 1 2 ] M . ; V e r t r e g t , P . C . S . S c h o l t e n s , A s s e s s m e n t o f t h eM e r i t s o f CMOS T e c h n o l o g y S c a l i n g f o r A n a l o g C i r c u i tD e s i g n , P r o c e e d i n g s ESSCIRC2004 p p : 5 7 - 6 4[ 1 3 ] M . J . M . P e l g r o m e t . a l . ; M a t c h i n g p r o p e r t i e s o fMOS t r a n s i s t o r s , IEEE J o u r n a l o f S o l i d - S t a t e C i r c u i t s ,V o l . S C - 2 4 , p p . 1 4 3 3 - 1 4 4 0 , 1 9 8 9[ 1 4 ] H v a n d e r P l o e g , e t . a l . , A 2 . 5 - V 1 2 - b 5 4 - M s a m p l e / s0 . 2 5 - p t m CMOS ADC i n 1-mm2 w i t h m i x e d - s i g n a lc h o p p i n g a n d c a l i b r a t i o n , IEEE J o u r n a l o f S o l i d - S t a t eC i r c u i t s , D e c . 2 0 0 1 , p p : 1 8 5 9 - 1 8 6 7[ 1 5 ] B M u r m a n n , B . E B o s e r , A 1 2 - b i t 7 5 - M S / s p i p e -l i n e d ADC u s i n g o p e n - l o o p r e s i d u e a m p l i f i c a t i o n , IEEEJ o u r n a l o f S o l i d - S t a t e C i r c u i t s , D e c 2 0 0 3 p p : 2 0 4 0 - 2 0 5 0[ 1 6 ] R . C . T a f t , e t . a l . , A 1 . 8 - V 1 . 6 - G S a m p l e / s 8 - b s e l f -c a l i b r a t i n g f o l d i n g ADC w i t h 7 . 2 6 ENOB a t N y q u i s tf r e q u e n c y , IEEE J o u r n a l o f S o l i d - S t a t e C i r c u i t s . 2 0 0 4P a g e ( s ) : 2 1 0 7 - 2 1 1 5[ 1 7 ] D . D r a x e l m a y r : A 6 b 600MHz 1 0 m W ADC a r r a yi n d i g i t a l 90nm CMOS ; ISSCC 2 0 0 4 , p . 2 6 4 - 2 6 5 .[ 1 8 ] S.M L o u w s m a , . e t . a l . , A 1 . 6 G S / s , 1 6 t i m e s i n t e r -l e a v e d t r a c k & h o l d w i t h 7.6ENOB i n 0 . 12pm CMOS ,P r o c e e d i n g s ESSCIRC2004 p p : 3 4 3 - 3 4 6[ 1 9 ] K . P o u l t o n , e t . a l . , A 2 0 G S / s 8 b ADC w i t h a 1 MBmemory i n 0 . 1 8 u m CMOS , ISSCC 2 0 0 3 , p . 3 1 8 - 3 1 9 .[ 2 0 ] S m i t , G . J . e t a l . P S P - b a s e d c o m p a c t F i n F E T m o d e ld e s c r i b i n g DC a n d RF m e a s u r e m e n t s T e c h . D i g e s tI E DM 2 0 0 6 .

9 . R e f e r e n c e s[ 1 ] P e l g r o m , M . J . M . e t . a l . , T r a n s i s t o r m a t c h i n g i n a n a -l o g CMOS a p p l i c a t i o n s I E DM 9 8 T e c h n i c a l D i g e s t ,P a g e ( s ) : 9 1 5 - 9 1 8[ 2 ] A . P . C h a n d r a k a s a n , e t . a l . , L o w - p o w e r CMOS d i g i t a ld e s i g n IEEE J o u r n a l o f S o l i d - S t a t e C i r c u i t s , A p r i l 1 9 9 2P a g e ( s ) : 4 7 3 - 4 8 4[ 3 ] R . B r e d e r l o w e t . a l , A m i x e d - s i g n a l D e s i g n R o a d -m a p I E E E - D e s i g n - T e s t - o f - C o m p u t e r s ( U S A ) , v o l . 1 8 ,n o . 6 , p . 3 4 - 4 6 , N o v . - D e c . 2 0 0 1[ 4 ] G . G e e l e n e t . a l . : A 90nm CMOS 1 . 2 V 1 0 b P o w e ra n d S p e e d P r o g r a m m a b l e P i p e l i n e d ADC w i t h0 . 5 p J / C o n v e r s i o n - S t e p ; ISSCC 2 0 0 6 , p . 2 1 4 - 2 1 5 .[ 5 ] G . v a n d e r P l a s , e t . a l . : A 0 . l 6 p J / C o n v e r s i o n - S t e p2.5mW 1 . 2 5 G s / s 4 b ADC i n a 90nm D i g i t a l CMOSp r o c e s s ; ISSCC 2 0 0 6 , p . 5 6 6 - 5 6 7 .[ 6 ] K . B u l t , : A n a l o g d e s i g n i n d e e p s u b - m i c r o n CMOS ,P r o c e e d i n g s E S S C I R C , 2 0 0 0 P a g e ( s ) : 1 2 6 1 3 2[ 7 ] PSP m o d e l w e b s i t e h t t p : / / p s p m o d e l . a s u . e d u /[ 8 ] Y . C h i u , B . N i k o l i c , a n d P . R . G r a y , S c a l i n g o fA n a l o g - t o - D i g i t a l C o n v e r t e r s i n t o U l t r a - D e e p -S u b m i c r o n CMOS , i n P r o c e e d i n g s o f IEEE C u s t o mI n t e g r a t e d C i r c u i t s C o n f e r e n c e , C I C C ' 0 5 , S a n J o s e , C A ,S e p t . 1 8 - 2 1 , 2 0 0 5 , p p . 3 7 5 - 3 8 2[ 9 ] V . S u b r a m a n i a n a , e t . a l . , D e v i c e a n d c i r c u i t - l e v e la n a l o g p e r f o r m a n c e t r a d e - o f f s : a c o m p a r a t i v e s t u d y o fp l a n a r b u l k FETs v e r s u s F i n F E T s , 2 0 0 5 I E DM T e c h n i -c a l D i g e s t . P a g e ( s ) : 8 9 8 - 9 0 1[ 1 0 ] G . K n o b l i n g e r , : M u l t i - G a t e MOSFET D e s i g n ,P r o c e e d i n g s ESSCIRC2006 p p . 6 6 - 6 9

analog challenge of nanometer cmos

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