Лекция № 6. Библиотеки топологических элементов. Резисторы и конденсаторы
Существующие в настоящее время средства САПР СБИС позволяют производить автоматический синтез сложнофункциональных СБИС на основе заранее спроектированных библиотек элементов. Такие библиотеки содержат схемотехнические и топологические представления элементов (schematic, layout, также могут быть и представлениия abstract (границы блока и расположение пинов), extracted, spectre, symbol и т.д.), временные и мощностные параметры, а также файлы в формате LEF (Library Exchange Format) для проведения автоматического размещения и трассировки цифровых блоков. Такие библиотеки содержат большое количество элементов, различающихся функционально (инверторы, буферы, элементы логики, триггеры, а также элементы сумматоров), по физическим параметрам (элементы с повышенным быстродействием или с пониженной потребляющей мощностью) и т.д.
Для удобства использования в иерархической структуре топологии кристалла большинство простейших ячеек (таких как транзисторы, контакты, резисторы, конденсаторы) параметризуются, т.е. есть возможность при размещении в рабочей области кристалла отдельных элементов задавать вручную их физические размеры (длина и ширина канала, расстояние контактных областей к стоку или истоку до затвора, количество затворов и т.д.). В случае, если разработчика чем-то не устраивают предложенные варианты топологии примитивных ячеек (вследствие размера, плотности расположения элементов, наличия нескольких металлов и др. конструктивных решений), можно параметризовать собственную ячейку вручную.
Пассивные элементы
Выбор и количество видов пассивных элементов в интегральных схемах серьезно ограничено. Основным этапом в технологии интегральных схем является планарный процесс. Этот процесс хорошо освоен для активных приборов. Пассивным же элементам вообще уделяется второстепенное значение. Одновременное создание активных и пассивных приборов в рамках одного технологического цикла требует ряда компромиссов, как в части конструирования, так и исполнения. Это, в свою очередь, сказывается в ограничении размеров и видов пассивных элементов в монолитном оформлении. Некоторые пассивные элементы, такие, как индуктивности, вообще не совместимы с микроминиатюризацией, а конденсаторы и резисторы имеют большие по абсолютной величине разбросы на номинальное значение и температурный дрейф. Кроме того, получение элементов возможно лишь в ограниченном диапазоне значений номиналов. Тем не менее, пассивные элементы широко используются в аналоговых ИС для обеспечения линейных преобразований сигналов.
Резисторы
В составе ИС имеется ряд проводящих слоев, которые можно использовать в качестве резисторов, в том числе карман, поликремний, n+ сток/исток, р+ сток/исток (рис. 2.23, а). Иногда формируют специальный дополнительный слой резистивного поликремния, обладающего заданной и более стабильной проводимостью (рис. 2.23, б).
Диапазон величин сопротивлений таких резисторов составляет от десятков Ом/квадрат (высоколегированные диффузионные и поликремниевые слои) до нескольких КОм/квадрат (карман и специальные слои поликремния).
Недостатками подобных резисторов являются большая занимаемая площадь, значительный разброс величин сопротивлений и наличие паразитной емкости. Как правило, резисторы используют в тех случаях, когда требуется высокая линейность сопротивления.
Топология простейшего резистора представляет собой прямоугольную область в резистивном слое (рис. 2.24).
Рис. 2.23. Резисторы: а – диффузионный; б – поликремниевый
Рис. 2.24. Топология резистора
Общее сопротивление можно выразить следующим соотношением:
, (2.35)
где — среднее удельное сопротивление;
L — эффективная длина резистора;
S — площадь его поперечного сечения, равная ширине резистора W, умноженной на глубину перехода хр.
В диффузионных резисторах из-за неоднородного распределения примесей трудно аналитическим способом определить среднее удельное сопротивление. В литературе приводятся подробные таблицы значений р для различных профилей распределения примесей и концентраций.
При практических расчетах резистора наиболее подходящим параметром является сопротивление слоя СЛ, которое можно определить как
(2.36)
Сопротивление слоя выражается в Омах и равно сопротивлению единичного квадрата данного материала. Поэтому эту размерность принято выражать как Ом/квадрат.
Поскольку и хр - величины, определенные диффузионными профилями транзистора, СЛ автоматически становится конструктивным параметром резистора, связанным с диффузионным режимом. Для данной величины СЛ общее значение R можно выразить следующим образом:
(2.37)
Сопротивление СЛ имеет положительный температурный коэффициент из-за уменьшения подвижности носителей с увеличением температуры.
Очевидно, что точность сопротивления резистора определяется точностью удельного сопротивления, точностью задания длины и ширины сопротивления. Обычно у резисторов L>>W и неточность воспроизведения размеров больше влияет на ширину резистора. Поэтому для повышения точности сопротивления необходимо использовать достаточно широкие резисторы.
Поскольку удельное сопротивление зависит от температуры, то резистор желательно размещать на небольшой площади вдали от источников повышенного выделения мощности. Резисторы с большим сопротивлением делают свернутыми (рис. 2.25).
Они занимают меньшую площадь и экономно размещаются на кристалле.
Во многих случаях (например, в точных делителях напряжения), требуется большое количество резисторов, согласованных по величине. Их целесообразно получать соединением идентичных (одинаковых по конструкции, а, следовательно, по величине) элементарных резисторов, которые при необходимости соединяются более низкоомными проводниками (рис. 2.25, б).
Рис. 2.25. Топология свернутого резистора: а) змейка;
б) секционированная змейка
Конденсаторы
При линейных преобразованиях сигналов в аналоговых ИС конденсаторы обеспечивают максимальную точность и поэтому получили широкое распространение. К ним предъявляются следующие требования:
- высокая относительная точность (в пределах кристалла),
- слабая зависимость от напряжения,
- высокая удельная емкость,
- низкая паразитная емкость.
Подобным требованиям наиболее удовлетворяют два типа конденсаторов (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Конденсаторы: а) – МОП; б) – МОМ
Первый тип – МОП-конденсатор, образованный поликремнием и полупроводниковой высоколегированной областью, разделенными подзатворным диэлектриком (рис. 26, а). Второй тип – МОМ-конденсатор, образованный двумя проводящими слоями (поликремниевыми, как на рисунке, или металлами) (рис. 26, б). Он требует усложнения технологического процесса, но обеспечивает наилучшие характеристики. Удельные емкости конденсаторов приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Типичные параметры конденсаторов
Тип |
Диэлектрический слой |
Толщина слоя, нм |
Емкость, фФ/мкм 2 |
Точность, % |
МОП |
Подзатворный оксид |
5 |
7 |
±5 |
МОМ |
Специальный оксид |
35 |
1 |
±5 |
При использовании специальных диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной емкость может быть увеличена.
В КМОП ИС присутствуют и паразитные конденсаторы, которые оказывают существенное влияние на работу ИС (табл. 2.3). Их необходимо учитывать при проектировании ИС, поскольку они влияют на точность и быстродействие схем.
Таблица 2.3
Паразитные конденсаторы
Тип |
Диэлектрический слой |
Толщина слоя, нм |
Емкость, фФ/мкм2 |
МДП |
Полевой оксид |
250 |
<0.1 |
МОМ |
Межслойный диэлектрик |
700-900 |
<0.01 |
Простейшая топология конденсатора представляет собой совокупность двух прямоугольников (обкладок), один из которых вложен в другой (рис. 2.27).
Рис. 2.27. Топология конденсаторов: а) с контактом над обкладкой;
б) c вынесенным контактом
Величина емкости конденсатора определяется формулой
,
(2.38)
где OX – диэлектрическая проницаемость диэлектрика;
tOX – толщина слоя диэлектрика.
Для снижения паразитной емкости верхнюю обкладку конденсатора делают меньше нижней. В этом случае контакт к обкладке может быть непосредственно над верхней обкладкой, что повышает требования к технологии (рис. 2.27, а), или вынесен на периферию, что увеличивает размеры конденсатора (рис. 2.27, б).
При необходимости использовать конденсаторы с заданным отношением емкостей их целесообразно получать соединением идентичных элементарных конденсаторов, поскольку пропорциональное увеличение площади из-за краевых эффектов не обеспечивает пропорциональное изменение емкости (рис. 2.28).
Рис. 2.28. Пропорциональное увеличение емкости конденсатора