Neuartige Mikrocontroller: Das Beste aus zwei Welten

| Autor / Redakteur: Grame Clark * / Michael Eckstein

Neu und alt vereint: SOTB ermöglicht die Hochintegriation von Hybridstrukturen auf einem Siliziumsubstrat.
Neu und alt vereint: SOTB ermöglicht die Hochintegriation von Hybridstrukturen auf einem Siliziumsubstrat. (Bild: Renesas)

Paradigmenwechsel bei Mikrocontroller-Designs: „Silicon on Thin Buried Oxide“-Prozesstechnologie (SOTB) ermöglicht das Herstellen von Chips mit extrem niedrigem Energieverbrauch.

In einer zunehmend vernetzten Welt stehen Entwickler immer wieder vor einer Vielzahl von widersprüchlichen Anforderungen, die sie bei ihren Designs berücksichtigen müssen. Verbraucher fordern Produkte mit mehr Leistung und erweiterter Funktionalität. Das erhöht oft deren Komplexität. Mobile Produkte sollen zudem mit einer Akkuladung möglichst lange laufen. Das bedingt einen drastisch reduzierten Energieverbrauch. Auch die Systemkosten sollen so niedrig wie möglich gehalten werden.

Bei heute gängigen CMOS-Prozesstechnologien müssen Mikrocontroller-Entwickler schwierige Entscheidungen in Bezug auf ihr Design, die Ausgewogenheit von Leistung und Integration im Verhältnis zum Stromverbrauch treffen, insbesondere was den Ruhestrom des Bausteins betrifft. Sie können sich für einen fortschrittlichen Technologieknoten entscheiden, typischerweise 40 nm. Mittlerweile sind auch noch kleinere Strukturbreiten möglich. Das hat den Vorteil, dass man Produkte mit einem hohen Grad an Peripherieintegration, mit großen On-Chip-Flash-Speichern von beispielsweise 2 MByte oder mehr, zusammen mit einer hohen Leistung anbieten kann. Ein Betrieb mit Taktraten jenseits von 200 MHz ist für einen solchen Prozess nicht ungewöhnlich.

Geringe Leckströme und niedrige Ruheströme

Während der aktive Schaltstrom eines solchen Prozesses typischerweise sehr niedrig ist, z. B. um 50 bis 100 µA/MHz, ist der Leckstrom von jedem Gate in einem Prozess mit sehr kleinen Strukturbreiten sehr hoch. Das führt zu sehr hohen Ruheströmen, typischerweise 10 bis 100 µA – oder sogar mehr. Bei der Entwicklung von Bausteinen mit der Zielsetzung von geringeren Leckströmen einerseits und niedrigen Strömen im Stand-by-Modus andererseits sind typischerweise größere Prozessgeometrien bevorzugt zu wählen. Das bedingt jedoch, dass solche Bausteine sowohl in der Leistung als auch in der Integration von Speicher und anderen Peripheriegeräten eingeschränkt sind. Abbildung 2 zeigt den typischen Wertebereich einer Reihe von Prozesstechnologien, die heute auf dem Markt erhältlich sind.

Renesas hat im Rahmen der LEAP-Initiative (Low-Power Electronics Association & Project), die unter der Schirmherrschaft der japanischen Regierung steht, einen neuen Halbleiterprozess entwickelt, um dieses Problem zu lösen: Silicon On Thin Buried Oxide (SOTB). Abbildung 1 zeigt die hybride Architektur – und einige Vorteile der SOTB-Gate-Struktur. Die einzigartigen Eigenschaften dieses neuen Siliziumprozesses ermöglichen es, die etablierte Abhängigkeit von Prozessgeometrie und Stromverbrauch zu lösen und Bausteine zu entwickeln, die sowohl einen sehr niedrigen Wirkstrom als auch besonders niedrige Leckströme aufweisen. Mit dem neuen SOTB-Prozess lassen sich auch Bausteine mit hoher Leistung sowie einem hohen Maß an Speicher- und Peripherieintegration anbieten. Abbildung 3 zieht einen Vergleich zwischen SOTB und den verschiedenen Prozessgeometrien.

Hybride Silziumstruktur auf einem Substrat

Einer der großen Durchbrüche in der Entwicklung der SOTB-Technologie war die Fähigkeit, eine hybride Siliziumstruktur zu realisieren. Damit lassen sich die Vorteile des neuen SOTB-Prozesses und der bestehenden Standard-Bulk-Siliziumtechnologie auf dem gleichen Design kombinieren, so dass die Stärken beider Technologien in demselben Baustein genutzt werden können. Das bedeutet, dass die neue SOTB-Technologie in den Teilen des Chipdesigns einsetzbar ist, die einen extrem geringen Stromverbrauch erfordern. Gleichzeitig lässt sich weiterhin Standard-Silizium für Funktionen wie den I/O-Ring und analoge Komponenten nutzen. Entwickler können somit weiterhin mit Geräten arbeiten, die ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen wie die Mikrocontroller, mit denen sie normalerweise arbeiten.

In einem traditionellen Bulk-Silizium-Gate-Design müssen während des Herstellungsprozesses Dotieratome in das Silizium des Kanals injiziert werden, so dass das Gate bei Bedarf leitend wird. Die Anzahl der in jedes Gate injizierten Atome ist extrem schwer präzise zu kontrollieren, so dass die Gate-Eigenschaften ungewollt variieren. Dies gilt insbesondere bei kleineren Siliziumgeometrien: Hier sind manchmal lediglich 100 Einzelatome beteiligt. Infolge ergibt sich eine hohe Variabilität in der Anzahl der Dotieratome in jedem Gate, was zu einer signifikanten Variabilität in den Schalteigenschaften jedes Gates innerhalb des Bausteins führt.

SOTB-Gate-Design kommt ohne Dotierung aus

Das SOTB-Gate ist ein dotierfreies Kanaldesign. Die extrem dünne Isolierschicht innerhalb des Gates steuert seine Eigenschaften. Unter Verwendung moderner Prozesstechnik lässt sich das Verhalten sehr gut steuern, so dass es über den gesamten Baustein zuverlässig reproduzierbar ist. Damit fällt die Variation zwischen den einzelnen Gates viel geringer aus als bei traditionellen Bulk-Silizium-Gate-Designs. Wie im nächsten Schritt zu sehen ist, ermöglichen es die deutlich verringerten Abweichungen zwischen den Gates auf einem SOTB-Device, die Betriebsspannung und damit die Energie zum Schalten jedes Gates stark zu reduzieren. Abbildung 3 zeigt einen weiteren Vorteil der SOTB-Technologie. Es besteht die Möglichkeit, eine negative Back-Bias-Spannung an jedes Gate anzulegen. Dadurch lässt sich die Schaltschwellen jedes Gates auf dem Baustein manipulieren, entweder einzeln oder über den gesamten Baustein hinweg.

Abbildung 4 zeigt einen Vergleich zwischen einem SOTB-Device und einem Baustein, der auf einem Standard-Silizium-Bulk-Prozess hergestellt wurde. Die rote Linie markiert den Bereich der Schalteigenschaften für letzteren. Hier ist die Variation der Schaltschwelle von einer Million einzelnen Transistoren auf einem Testchip zu sehen. Die besten Gates schalten bei etwa 0,3 V, während die schwächsten Gates erst im Bereich von 0,7 V schalten. Das bedeutet: Um den Betrieb jedes Gates auf dem Baustein zu gewährleisten, ist mit Spannungen deutlich über 1,0 V zu arbeiten. Dies hat natürlich einen direkten Einfluss auf den Stromverbrauch des Bausteins.

Geringe Streuung der Gate-Spannungen

Die blaue Linie in Abbildung 4 zeigt die Eigenschaften des SOTB-Gates. Sie verdeutlicht die enorme Reduzierung der Variabilität und den engen Bereich des Schaltverhaltens, der mit diesem Prozess erzielt werden kann. Bausteine, die auf dem SOTB-Prozess basieren, können zuverlässig mit wesentlich niedrigeren Spannungen arbeiten und trotzdem garantieren, dass jedes Gate korrekt funktioniert. Das reduziert den Wert des aktiven Stromverbrauchs erheblich. Die grüne Linie in Abbildung 4 zeigt das Ergebnis mit angelegten Back Bias. Hier lassen sich Gates einzeln in einen extrem niedrigen Leckstromzustand versetzen, so dass ein Teil des Bausteins oder das gesamte Device in einem extrem niedrigen Leckstromzustand arbeiten kann, was den Ruhestrom stark reduziert.

Mit diesem neuen Prozess lässt sich eine neue Generation von Mikrocontrollerlösungen entwickeln. Sie können die besten Technologieeigenschaften kleinerer Geometrien mit ihrem hohen Integrationsgrad und niedrigem Wirkstrom mit den Vorteilen größerer Geometrien mit niedrigem Ruhestrom kombinieren. Das Resultat sind Bausteine mit einer einzigartigen Kombination aus Leistung, Integration und Stromverbrauch.

Verwendung in Energy-Harvesting-Geräten

Renesas hat die Entwicklung des ersten Mikrocontrollers auf Basis des SOTB-Prozesses bereits abgeschlossen. Der R7F0E017 kombiniert einen Cortex M0+ Core von ARM, der mit bis zu 64 MHz taktet, mit einem hohen Grad an Peripherieintegration und bis zu 1,5 MByte Flash und 256 KByte On-Chip-SRAM (Abbildung 5). Durch den Einsatz der Silicon-on-Thin-Buried-Oxide-Technologie ließen sich sehr gute Low-Power-Eigenschaften realisieren:

  • Wirkstrom von 20 µA/MHz
  • Ruhestrom von 200 nA
  • ADC-Betrieb bei 3 µA
  • 256 KByte SRAM mit 1 nA/KByte Ruhestrom

Künftige Bausteine, die auf diesem Verfahren basieren, könnten noch niedrigere Stromverbrauchswerte aufweisen.Der neue Controller eignet sich zum Beispiel für Wearables sowie eine breite Palette von Industrie-, Consumer- und medizinischen Anwendungen. Aufgrund ihrer hohen Energieeffizienz lassen sich SOTB-basierte Bausteine auch in Anwendungen einsetzen, die Energie aus der Umwelt gewinnen. Dafür verfügt der R7F017 über einen Energy-Harvesting-Controller. Dieser kann sowohl Energie aus verschiedenen erneuerbaren Energiequellen gewinnen als auch eine externe wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator automatisch steuern.

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* Grame Clark ist Produktmanager bei Renesas Electronics Europe für den Bereich SOTB-Controller in Europa.

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posted am 11.02.2019 um 08:48 von Sebastian Gerstl,Sebastian Gerstl

Peripheriegeräten eingeschräNeu und alt vereintnkt sind. Abbildung 2 zeigt den typischen...  lesen
posted am 09.02.2019 um 12:11 von Unregistriert


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