2. Паразитные элементы. Механизмы возникновения паразитных элементов, их типы. Паразитные эффекты в топологии аналоговых устройств, их физическая сущность
Развитие технологии привело к уменьшению конструктивных элементов микросхем, увеличению рабочих частот, функциональности устройств и их сложности. При использовании технологий с топологическим размером 250 нм задержки на межсоединениях начинают определять быстродействие схем, существенно увеличиваются всевозможные токи утечки. В УБИС с технологическими нормами 90 нм общая доля утечек может составлять до половины общего тока потребления. Уменьшение ширины проводников способствует увеличению их сопротивления, а уменьшение расстояний между ними - увеличению емкости межсоединений. Наконец, увеличение рабочих частот и уменьшение размеров элементов приводят к увеличению инжекционных токов в подложке, а увеличение уровня интеграции схем часто означает соседство цифровых и аналоговых блоков на одном кристалле, а значит, попадание переключательного шума на чувствительные входы аналоговых устройств. Всё это вместе делает важным учет влияния межсоединений и подложки на функционирование схемы. Из вышеописанных особенностей перехода к технологии 90 нм вытекает следующее: функционирование разработанной схемы может отличаться от требуемого не только из-за ошибок, внесенных конструктором, но и в результате образования паразитных элементов; влияние паразитных элементов на работоспособность крайне велико; для более полной оценки работоспособности УБИС при восстановлении схемы по топологии требуется определение паразитных элементов, вычисление номиналов этих элементов и учет их при моделировании на схемотехническом уровне. Аналоговые блоки, проектируемые с применением технологий глубокого субмикронного диапазона, являются особенно чувствительными к воздействиям как внешних, так и внутренних факторов. Основным внутренним фактором, способным оказать существенное влияние на стабильность параметров и общую работоспособность аналоговых блоков, является как раз возникновение в разработанной топологии блока паразитных элементов. Точность расчета задержек как цифровых, так и аналоговых схем, определяется с помощью методов учета паразитных параметров.
Паразитный элемент (parasitic element) – прибор, не создаваемый разработчиком, всегда формируется дополнительно в топологии устройства и обусловлен топологическими зависимостями, такими как наложение или пересечение слоев (паразитная емкость), сопротивление контактов и слоев (паразитный резистор) и др.
Стабильность электрических и функциональных параметров может быть гарантирована лишь с помощью моделирования созданной топологии с учетом паразитных элементов. Соответствующие эквивалентные схемы содержат элементы R, C и L, значения которых должны быть каким-либо образом вычислены исходя из послойной структуры устройства.
Типы паразитных элементов. Существуют три основных типа паразитных элементов:
- паразитная емкость;
- паразитное сопротивление;
- паразитная индуктивность.
Если в технологиях субмикронного диапазона учитываются, как правило, паразитные емкости и сопротивления, то в технологиях глубокого субмикронного диапазона, таких как 90 нм и меньше, очень часто извлекают дополнительный вид паразита - индуктивность.
Паразитная ёмкость — нежелательная ёмкостная связь, возникающая между проводниками и другими топологическими слоями и элементами электронных схем. Основные эффекты, обусловленные наличием паразитных ёмкостей:
- паразитные положительные и отрицательные обратные связи. Из-за непредсказуемости фазовых характеристик тип паразитных связей может произвольно меняться. В усилителях положительная ОС может приводить к самовозбуждению, отрицательная — к уменьшению коэффициента передачи;
- паразитные RC-фильтры;
- паразитные LC-контуры.
Паразитные ёмкости в обязательном порядке нужно принимать во внимание в микроэлектронных схемах, выполненных по технологии 90 нм и меньше, поскольку в них расстояние между проводниками особенно мало, а площадь проводников может быть достаточно большой. В результате в топологии образуется конденсатор, что может привести к существенным задержкам и изменению работы всей схемы, поэтому является нежелательным. Также различают паразитные емкости между элементами и подложкой, паразитные емкости между соседними элементами и др. Так, любой конденсатор и резистор в топологии имеет дополнительную емкость между нижней обкладкой и подложкой, а также другими слоями. Величина емкости между элементом и подложкой зависит от номиналов слоев.
Паразитное сопротивление – нежелательное побочное сопротивление, образующееся на пути распространения сигнальных токов, токов питания и краевых областях структур. В топологии паразитные резисторы образуются из-за сопротивления проводников, диффузионных областей, поликремниевых шин, переходных контактов. К еще одному виду паразитных сопротивлений можно отнести сопротивления, образующиеся между областями транзистора: стоком и истоком, затвором и сток-истоковыми областями, сопротивления границ областей и др.
Паразитные индуктивности могут быть образованы длинными проводниками. Эти приборы обычно имеют небольшие значения, но тем не менее способны внести свой негативный вклад в отклонение электрических характеристик от нормы. При увеличении длины проводника также увеличивается паразитная емкость проводник-подложка. В общем случае перекрестные возмущения прямо пропорциональны волновому сопротивлению, частоте и длине линии и обратно пропорциональны расстоянию между проводниками. Это означает, что необходимо уменьшать длину проводников и уровень параллельности трасс, а расстояние между параллельными участками - увеличивать. При этом увеличение зазора между данным проводником и взаимодействующими с ним проводниками приводит к тому же эффекту, что и уменьшение длины взаимодействующих участков проводника.
Основные способы защиты топологии от образования паразитных элементов:
1) Экранирование контактных площадок, для чего под контактной площадкой располагается изолированный карман.
2) Подключение структур к шинам питания широкими короткими проводниками уменьшает паразитные сопротивления.
3) Отказ от диффузионных и поликремниевых проводников и перемычек.
4) Размещение элементов топологии в изолированных областях с целью уменьшения паразитной емкости между ними.
5) Минимизация суммарной площади изолирующих p-n переходов, т.к. их емкость является паразитной. К изолирующему переходу должно быть приложено напряжение обратного смещения.
6) Уменьшение длины проводников и увеличение зазора между проводниками.
Паразитные эффекты в топологии аналоговых устройств. В технологии 90 нм имеет место масса паразитных эффектов. Одним из самых нежелательных побочных эффектов, возникающих при переходе к глубоко субмикронному диапазону, является существенное увеличение всевозможных токов утечки. Если рассматривать те из составляющих общего тока утечки, которые оказывают наибольшее влияние на потребляемую и рассеиваемую мощность, можно выделить два тока утечки – ток утечки прямого туннелирования через затвор и подпороговый ток утечки. Существуют и другие составляющие тока утечки, но они не столь существенны. Эти токи становятся особенно ощутимыми в технологии 90 нм. Ток утечки прямого туннелирования происходит в обоих состояниях транзистора (открыт, закрыт), второй же только в закрытом состоянии. В технологиях глубокого субмикрона все транзисторы являются короткоканальными и требуют более низких питающих напряжений для уменьшения их внутренних электрических полей и снижение потребляемой мощности. Снижение питающего напряжения происходит вкупе с уменьшением порогового напряжения, необходимого для увеличения быстродействия, однако низкий порог вызывает увеличение подпорогового тока утечки.
Рис. 2.1. Ток утечки прямого туннулирования через затвор
Малая длина канала усиливает паразитные эффекты (короткоканальные эффекты), слабо себя проявляющие в старых техпроцессах. Начиная с техпроцессов с проектными нормами 90 нм и ниже все большее влияние стал оказывать эффект утечки тока, текущий через подзатворный диэлектрик затвора транзистора. В идеальном случае входной ток должен быть равен 0, но из-за малой толщины подзатворного диэлектрика происходит утечка тока. При масштабировании размеров транзисторов и сокращении длины канала, толщина подзатворного диэлектрика должна быть уменьшена практически пропорционально по отношению к длине канала, чтобы эффективно управлять каналом. Уменьшение емкости затвора транзисторов улучшает быстродействие кристалла и уменьшает динамическую рассеиваемую мощность (в каждом последующем технологическом процессе время задержки распространения транзисторов уменьшалось более чем на 30 %). В CMOS техпроцессах подзатворным диэлектриком является диоксид кремния, уменьшение толщины которого приводит к увеличению электрического поля (поперечного, что создает инверсионный слой в канале) через оксид. Высокое электрическое поле и малая толщина приводят к значительному току, текущему через затвор транзистора. Величина этого тока увеличивается по экспоненте с уменьшением толщины подзатворного диэлектрика и питающего напряжения. Для тонких слоев подзатворного диэлектрика (порядка 2-3 нм и менее) уменьшение толщины на каждые 0.2 nm вызывает 10-кратное увеличение тока затвора. Правда данный ток является совокупностью 2 составляющих - туннелирование через подзатворный окисел и инжекция горячих носителей от подложки до подзатворного оксида. Последний может привести к деградации кристалла во времени при высоких напряжениях (разгон).
Рис. 2.2. Подпороговый ток утечки
Следующий ток – подпороговый ток утечки. Для перевода канала транзистора из режима сильной инверсии в режим слабой инверсии (из открытого состояния в закрытое) напряжение на затворе должно быть ниже порогового напряжения. Канал транзистора резко меняет свой тип проводимости и считается непроводящим. Однако при спаде напряжения на затворе ток не падает резко до 0 – при напряжениях ниже порогового транзистор частично проводит ток. В режиме слабой инверсии (выключенное состояние) концентрация неосновных носителей мала, но не нулевая. Благодаря небольшой концентрации электронов в p-области и продольному электрическому полю, дрейфовая (под действие электрического поля) компонента подпорогового тока крайне незначительна. В отличие от режима сильной инверсии, в котором доминирующим является ток дрейфа основных носителей под действием электрического поля, подпороговая проводимость происходит за счет диффузии неосновных носителей заряда в канал.
Для уменьшения подпорогового тока утечки необходимо, чтобы после уменьшения напряжения на затворе ниже порогового ток спадал как можно быстрее. Для оценки того, как эффективно транзистор может быть выключен (уменьшение тока выключенного состояния) используют показатель S (коэффициент спада). Данный коэффициент показывает, насколько нужно уменьшить напряжение на затворе, чтобы ток упал в 10 раз [мВ/декада]. В идеальных условиях и при комнатной температуре S имеет значение 60 мВ/декада (подпороговый ток уменьшается в 10 раз при уменьшении напряжения на затворе на 60 мВ). Типичные же значения для стандартных CMOS технологий (bulk CMOS) могут колебаться от 70 до 120 мВ/декада. Таким образом, значение S должно быть как можно меньшим. Другими словами, чем меньше S, тем выше скорость спада тока. Контроль за подпороговым током особенно важен для современных транзисторов с напряжениями питания в районе 1 В. Чтобы добиться наибольшего быстродействия микросхем во всех новых техпроцессах стараются уменьшить напряжения питания совместно с уменьшением порогового напряжения транзисторов, однако высокие подпороговые токи утечки, главным образом вызванные относительно низким пороговым напряжением, ограничивают масштабируемость напряжения питания. Для более низкого значения коэффициента спада (а, следовательно, и меньшего значения самого подпорогового тока) применяют более тонкий подзатворный диэлектрик, используют более низкую концентрацию легирования подложки (приводящей к большей ширине обедненной области). Подпороговый ток имеет достаточно высокую температурную зависимость, повышение которой приводит к большему значению S и, следовательно, увеличению тока утечки выключенного транзистора.
Следующим, не менее важным чем утечки, эффектом, влияющим на работу аналоговых блоков является эффект перекрестных искажений, возникающий из-за взаимной емкостной связи между проводниками микросхемы, в результате чего при изменении уровня сигнала в проводнике форма сигнала в соседних проводниках также изменяется. При уменьшении проектных норм эффект проявляется с большей силой. Мерой оценки эффекта перекрёстных искажений является отношение ёмкости боковой связи Cc, возникающей между проводниками, расположенными на одном слое, к ёмкости межслойной связи Cs, возникающей между проводниками, расположенными на разных слоях. Эффект взаимосвязи становится более видным, поскольку развитие технологии приводит к использованию геометрических объектов меньшего размера. Для технологии 90 нм емкость боковых связей почти в три раза превышает емкость межслойных связей.
Для технологии 90 нм остро стоит проблема электромиграции, т.к. при уменьшенных размерах проводников плотность тока в шинах существенно возросла. Длительное воздействие тока высокой плотности на проводник вызывает разрушение металла, что влечет за собой потерю работоспособности всей схемы.
В технологии 90 нм на высоких частотах существенно проявляются индуктивные эффекты. Эффект самоиндукции является критичным в основном для цепей с высокочастотными сигналами и длинных параллельных цепей. Для снижения индуктивных эффектов требуется соблюдение специальных подходов к прокладке шин, слоев заземления и питания, экранированию слоев.
Правильный подход к проектированию топологии аналоговых блоков по технологии 90 нм позволит обойти стороной большинство негативных эффектов и существенно сократить время проектирования.