dsd1-10 / dsd-10=Спецглавы проектирования АИС / Лекция_3

Эннс В.И. Спец. главы проектирования АИС.

Лекция 3.

Особенности проектирования точных элементов АИС.

3.1. Правила проектирования аналоговых элементов с минимальным относительным рассогласованием.

3.2. Воздействия, влияющие на точность элементов АИС.

3.3. Некоторые методы построения топологии согласованных устройств.

3.1. Правила проектирования аналоговых элементов с минимальным относительным рассогласованием.

1. Использование одинаковой геометрии транзисторов (пальцев транзисторов). Нежелательно использовать транзисторы с разными W и L. Транзисторы с большой шириной канала строятся из нескольких пальцев.

2. Использование больших по площади активных областей (область затвора).

3. При согласовании напряжений - уменьшение превышения напряжения затвор - исток над пороговым (примерно до 0.1В). Напряжение затвор - исток можно уменьшить, используя большое отношение W/L. Правило используется для получения минимального напряжения смещения двух согласованных транзисторов.

4. При согласовании токов - увеличение превышения напряжения затвор - исток над пороговым напряжением (более 0.3В). Для точных схем необходимо обеспечить превышение более 0.5В. Правило используется для построения источников тока.

5. Одинаковая ориентация транзисторов.

6. Расположение транзисторов как можно ближе друг к другу. Расположение транзисторов должно быть как можно ближе друг к другу на столько насколько это позволяют топологические нормы проектирования. Транзисторы должны следовать друг за другом, чтобы облегчить построение центрированной топологии.

7. Использование наиболее компактной топологии. Для этого каждое устройство делится на определенное количество пальцев (затворов).

8. Для согласованных устройств применение принципа «общая центроида» (центрированная топология). Достигается делением каждого прибора на равное количество пальцев и компоновкой этих пальцев в интегрированную матрицу. Транзисторы с центрированной топологией должны обладать перекрестными связями для достижения большей симметрии.

9. Использование дополнительных «холостых» элементов. Матричные транзисторы должны включать в себя фиктивные затворы на каждой стороне. Расстояние между фиктивными и активными затворами должно быть таким же, как и между активными затворами. Фиктивные затворы должны находиться под потенциалом, который предотвращает создание канала под этими затворами.

10. Расположение транзисторов в местах с наименьшим поверхностным механическим напряжением. Наименьшее механическое напряжение достигается в центре кристалла. Поэтому, элементы, которые подвержены стрессам, должны находиться в центре кристалла. Максимальный стресс достигается на углах кристалла. Для КМОП транзисторов лучшая ориентация подложки [100], в этом случае они меньше всего подвергаются механическим стрессам.

11. Расположение элементов на удалении от мощных устройств. Устройство, рассеивающее больше чем 50mВт, рассматривается как мощное устройство, а устройство, которое рассеивает более чем 250mВт, рассматривается как сверхмощное устройство. Транзисторы должны находиться на расстоянии 250 - 500 мкм от мощного источника. Устройства могут быть расположены рядом с мощными устройствами только в том случае, если они имеют центрированную топологию. Желательно располагать согласованные элементы на одной изотерме.

12. Не размещать контакты над активными областями затворов транзисторов.

13. Не проводить металлические шины над активными областями затворов транзисторов. Это вносит дополнительные паразитные элементы.

14. Диффузионные переходы карманных областей удалять от активных областей затворов транзисторов. Расстояние между областями должно быть равно как минимум двум глубинам диффузионных переходов.

15. Располагать точные транзисторы в направлении осей симметрии кристаллов.

16. Контактировать пальцы затворов транзисторов с помощью металлических шин.

17. Предпочтительнее использовать тонкий подзатворный диэлектрик, т.к. при его использовании получается лучшее совпадение характеристик.

18. Согласование NMOП транзисторов лучше, чем PMOП транзисторов.

19. Располагать транзисторы вдали от цифровых схем и других источников помех и инжектированных зарядов.

20. Общие выводы (земля и питание) и сигнальные шины с большим протекающим током подводить широкими шинами. Не допускать использование высокоомных “подныров”.

21. Окружать транзисторы диффузионными кольцами.

22. Рекомендуется выбирать длину одного пальца меньше 70 мкм.

3.2. Воздействия, влияющие на точность элементов АИС.

Механическое напряжение (стресс).

Рис.3.1. иллюстрирует типичное распределение механического напряжения (стресса) на кристалле. Кривая показывает изменение уровней напряжения на поверхности и называется изобарой. Напряжение становится все слабее при приближении к центру. Верхний график показывает интенсивность стресса по горизонтали, а график справа - интенсивность стресса по вертикали.

Рис.3.1.

Отношение изменения интенсивности стресса называется градиентом механического напряжения. Этот градиент обычно наименьший в середине и медленно увеличивается при продвижении к краям кристалла. Градиент обычно наибольший в углах схемы.

Рассогласование :величин сопротивлений резисторов, вызванное градиентом механического напряжения, можно записать:

δ=С*d*▼S (3.1),

где С – константа (пьезорезистивность); d – расстояние между центроидами; ▼S – градиент стресса.

Термоэлектрический эффект.

Разность потенциалов в контакте двух различных материалов (например, контакт Al – поликремний) зависит от температуры.

Термоэлектрический потенциал равен:

E_T=S*ΔT (3.2)

Где S - коэффициент Зеебека, который составляет примерно 0,4 мВ/˚С.

Для минимизации влияния термоэлектрического эффекта существуют определенные правила построения топологии.

Температурный градиент.

Электрические свойства большинства компонентов ИС зависят от температуры. Так например, тепературный коэффициент сопротивления (ТКС) резистора может быть равен 2000 ppm/C, а температурный коэффициент крутизны МОП транзистора достигает 7000ppm/C.

Если на кристалле присутствуют рассеивающие большую мощность устройства, то температурный градиент Т может достигать 0,05C/мкм. Рассогласование в характеристиках компонентов записывается формулой:

=ТК*d*Т,

что соответствует рассогласованию в 1% двух резисторов, расположенных на расстоянии 100мкм друг от друга, для приведенных в данном разделе ТКС и Т.

Влияние технологических параметров.

Толщина окисла и резистивных слоев, удельное сопротивление и емкость, не одинаковы на всей площади кристалла. Их влияние на рассогласованность компонентов тем больше, чем дальше расположены устройства друг от друга. Решение данной проблемы лежит в использовании специальных приемов проектирования топологии и в компактном расположении устройств.

3.3 Некоторые методы построения топологии согласованных устройств.

Топология общей центроиды.

Для того чтобы минимизировать разницу электрических характеристик двух согласованных устройств, вызванную различными механическими напряжениями между ними, или различной температурой и другими условиями, эти устройства необходимо располагать как можно ближе друг к другу.

Существует метод построения топологии, называемый “топология общей центроиды”, который максимально удовлетворяет этому условию.

Центроида – это геометрический центр точек приложения к частям устройства какого-либо воздействия. Центроида квадратного устройства находится в центре квадрата. Центроиды других геометрических фигур могут быть найдены применением принципа симметрии, который полагает, что центроида находится на пересечении осей симметрии геометрической фигуры (рис.3.2).

Рис.3.2.

Если речь идет о минимизации влияния механического напряжения на параметры согласованных устройств, то следует руководствоваться следующими правилами, которые вытекают из формулы 3.1:

1. уменьшать коэффициент С (пьезорезистивность)_, выбирая подходящий материал сопротивления или ориентируя устройства в направлении минимальной пьезорезистивности.

2. уменьшать величину градиента механического напряжения правильным расположением устройства и выбором соответствующих материалов корпуса.

3. уменьшать расстояние между центроидами согласованных устройств.

Рис.3.3 показывает три примера топологии общей центроиды. Рис 3.3.А показывает структуру двух устройств, которые состоят из двух элементов. Если устройства обозначены А и В, тогда расположение элементов следует модели АВВА (устройства разделены на идентичные секции, которые расположены симметрично). Устройства А и В имеют общие линии симметрии.

Рис.3.3.

Матрица, использующая модель АВА, так же имеет общие линии симметрии и общую центроиду. В обоих случаях из–за совпадений центроид устройств А и В величина рассогласования этих устройств – минимальны.

Матрица, использующая модель АВВА и модель АВА, требует фиктивных элементов, так как элементы одного устройства занимают оба конца матрицы.

Модели АВАВ следует избегать, так как центроиды двух устройств не совпадают.

Таблицы 3.1 и 3.2 показывают примеры расположения частей устройств для образования общей центроиды.

Таблица 3.1

АА АВВА АВССВА АВСDDCBA ABAABA ABABAABABA AABAABAA AABAAAABAA

AAA ABBAABB* ABCBACBCA* ABCDBCADBCDA* ABAABAABA ABABAABABAABABA AABAAABAAABA* AABAAAABAAAABAA

AAAA ABABBABA ABCABCCBACBA ABCDDCBAABCDDCBA ABAABAABAABA ABABAABABAABABAABABA AABAABAAAABAABAA AABAAAABAAAABAAAABAA

Таблица 3.2

ABBA BAAB ABA BAB ABCCBA CBAABC AAB BAA

ABBAABBA BAABBAAB ABAABA BABBAB ABCCBAABC CBAABCCBA AABBAA BAAAAB

ABBAABBA BAABBAAB ABBAABBA ABAABA BABBAB ABAABA ABCCBAABC CBAABCCBA ABCCBAABC AABBAA BAAAAB AABBAA

ABBAABBA BAABBAAB BAABBAAB ABBAABBA ABAABAABA BABBABBAB BABBABBAB ABAABAABA ABCCBAABC CBAABCCBA CBAABCCBA ABCCBAABC AABBAA BAAAAB BAAAAB AABBAA

Четыре правила топологии общей центроиды:

1. Центроиды согласованных устройств должны совпадать.

2. Матрица должна быть симметрична относительно обеих осей X и Y.

3. Следует разбивать устройство на возможно большее количество сегментов. Сегменты каждого устройства должны быть рассредоточены по матрице однородно.

4. Матрица должна быть компактной, в идеале - квадратной.

Если матрица содержит несколько больших элементов, то элементы разбивают, уменьшая значение каждого. Элементы могут быть расположены в виде двухразмерной матрицы. Такой тип обеспечивает лучшее согласование, чем одномерная матрица.

Правило “перекрестных пар”.

Р ис.3.4.

Рис.3.4.А показывает возможное расположение сегментов двух одинаковых устройств. Такое расположение называют “перекрестными парами”. В табл.3.2 и на рис.3.4.В приведены примеры построения топологии устройств, которые делятся на большое количество сегментов. Эти структуры называются “мозаикой”.

Использование “мозаики”, в которой наряду с методом общей центроиды применено правило “перекрестных пар”, дает наилучшие результаты согласования точных устройств.

Фиктивные элементы.

Для придания большей симметрии согласованным устройствам необходимо к краевым сегментам устройства добавлять фиктивные элементы (рис. 3.5.). В некоторых случаях фиктивные элементы подключают к источнику напряжения.

Рис.3.5.

Расположение согласованных элементов на кристалле.

Для уменьшения влияния механического стресса, согласованные компоненты следует размещать в центре кристалла, либо в середине краевой зоны, не в углах кристалла.

Влияние температурного градиента уменьшается при удалении компонентов от источника выделения тепла. В ряде случаев необходимо учитывать ориентацию компонентов кристалла на пластине. Применяемые варианты расположения согласованных компонентов на кристалле приведены на рис.3.6.

Рис.3.6.