Семинары 6-7

Основные задачи класса:

1. Обсуждение ДЗ1 по БиКМОП.

2. паразитные параметры в КМДП структурах

3. многослойные структуры, толщины слоев, типы емкостей, величины емкостей.

4. эквивалентные схемы транзисторов с учетом паразитных элементов

5. предельные плотности тока в интегральных схемах.

По п.2. Расчет величин сопротивлений и емкостей в КМДП- схемах. Для этой задачи выберем тип маршрута, топологию и параметры инвертора.

Структура с п- карманом.

_n = 600 см²/Всек, _p = 230 см²/Всек, C_ok = 7∙10^-8 Ф/см,

k _0n = 120 мкА/В², k _0p = 60 мкА/В², k_n = k_onW/L, k_n/k_p  2.5,

U_порп = 0,8 В, U_порр = -1 В,

L = 0,6 мк, W_min =1,2 мк.

Задержки в межсоединениях зависят от емкостей и сопротивлений узла:

  f(C, R)

Суммарное сопротивление выходного узла состоит из сопротивлений стоковых узлов транзисторов, сопротивления металлизации, поликремниевых перемычек и контактных окон.

W_p D_p

D_n

W_n

Расчеты ведем по числу квадратов каждой области и поверхностным сопротивлениям, задаваемым технологами. Расчеты сначала ведем в общей форме, площади считаем по количеству ² . затем определяем номинал сопротивления, зная поверхностное сопротивление слоя.

_sSi = 30 Ом/ , _sSi* = 60 Ом/ (легированный), _sAl = 0.05 Ом/.

Суммарная емкость выходного узла может быть определена следующим образом [ 1 ].

Типы емкостей:

• затвор-сток (металл(затвор)-диэлектрик-полупроводник)

• шин металлизации (.металл-диэлектрик-металл)

• сток-подложка (барьерная емкость р-п перехода) с удельными емкостями С_0i

С учетом размеров, показанных на рисунке, емкость выходного узла С_н:

При моделировании переходных процессов точный результат с заданной точностью можно получить при компьютерном анализе. Для оценочных расчетов параметров переходных процессов очень часто используют эмпирически полученные соотношения, например, оценить величину времени задержки или длительность фронта (среза) можно следующим образом:

эти формулы применяют для моделирования передающих шин, или шин передающих с распределенными и с сосредоточенными параметрами, или только с сосредоточенными параметрами соответственно.

Здесь l – длина межсоединений, v - скорость распространения сигнала.

Оценить реактивные составляющие компонентов узла по результатам компьютерного моделирования можно при помощи простейших соотношений:

С = dQ/dU = d(I∆t)/dU.

Измеряем перепад тока в заданный период времени в заданном диапазоне напряжений.

Аналогично для индуктивности:

L = ∆U ∆τ/∆I.

В каскадном соединении простых схем величины пассивных элементов можно уточнять следующим образом, вычисляя соответствующие номиналы элементов эквивалентных схем:



В тракте передачи данных участвуют, как видно из рисунка, резисторы (R), индуктивности (L), емкости (С) и проводимости (G). RLCG – фактор особенно важен в кристаллах СБИС.

Для расчета емкостей узлов необходимо корректно считать все паразитные емкости. Для расчета составляющих емкостей барьерного типа нужно знать площадь и рассчитать удельную емкость р-п перехода:

, тогда С_{СПп,(СПр)} = С₀ А.

Для определения емкостей металлизации необходимо знать все особенности структуры многослойной металлизации и пользоваться для расчета упрощенными выражениями, предложенными в [ 1 ].

Между двумя проводящими поверхностями, разделенными диэлектриком, формируется емкость, основная часть между плоскими противоположными частями С_рр и часть на краях полос С_ff

l

t w

C_pp h

При w/h = 1, t/h = 1-0.5, C = 0.3пФ/см,

w/h = 10, -.-.-.-, C = 3 пФ/см.

Эти оценки сделаны для параметров структуры, представленных ниже, но можно и выполнить расчеты по следующим формулам:

Емкость проводника снижается, если его ширина уменьшается по отношению к его толщине: (w/t ). Порядок величины емкости С_{рр } 1 пФ/см при w  h.

При увеличении числа слоев металлизации появляются дополнительные емкостные наводки между слоями и внутри слоя, например, латеральные емкости С_х:

С_ff C_pp C_ff C, пФ/см

С_{х 5}

С_рр С_рр С_{ff 3}

1 2 3 4 5 мк

Приведем пример рассчитанных величин емкостей для конкретной структуры со следующими толщинами слоев:

Слой	Толщина мк	Приме- чание
dok полевой	0,52
dok затвора	0,016	16 нм
dsi*	0,35	w=0.8mk
dokSi*/met	0,65
dmet1	0,6	w=1.4mk
dmet2	1	w=1.4mk
dviaok	1
Xjn+	0,4
Xjp+	0,4
dnкармана	3,5

Ме2 ме2

via ox

C_m2ff C_m1m2 me1 C_m2p

Si-me1 ox C_m1f Cm1p

C_m2a C_m1a C_pf Si^*

field ox

Cpf		Cm1f		Cm2f		Cm1p		Cm2p		Cm1m2
A	P	A	P	A	P	A	P	A	P	A	P
0.066	0.046	0.03	0.042	0.016	0.042	0.053	0.051	0.021	0.045	0.035	0.051

Удельные емкости на единицу площади (А) измеряются в фФ/мкм², на единицу периметра (Р) – в фФ/мкм.

Зная величины суммарной емкости и сопротивления узла, рассчитываем величину времени задержки в узле:

 = 0.7RC, или, если рассматривать распределенную модель шины с числом разбиений N:

Домашнее задание 2.

По эскизу топологии КМДП- ключа (свой вариант из ДЗ-1 или раздаточный материал) рассчитать величины:

- паразитного топологического сопротивления выходного узла,

- паразитной топологической емкости выходного узла,

- величины времени задержки на паразитных пассивных топологических элементах,

- величины времени фронта (среза) для кмдп- ключа с заданными параметрами структуры.

- сравнить величины времени переключения схемы и вклад времен задержки на пассивных элементах по выбранному варианту топологической реализации.

Формулы для расчета временных параметров КМДП- ключа:

Длительности фронтов переключения из высокого уровня в низкий τ_PHL и наоборот определяются величиной нагрузочной емкости узла, величинами пороговых напряжений и номиналом используемого источника питания

Считаем здесь L = 0,6 мк, W_min = 1,2 мк, все структурные параметры, как выше