Для магистратуры / 67.Бочаров Проектирование БИС класса система на кристалле 2008

Лучшим способом борьбы с помехами этого вида, практически исключающим распространение шума по подложке, является использование технологии «кремний на изоляторе». Однако из-за высокой стоимости она применяется, в основном, для создания специальных изделий. Два других наиболее часто используемых метода экранирования, препятствующих распространению шума по подложке, показаны на рис. 55. Согласно первому (рис. 55, а) в p- подложке создается n-карман, который подключается к наивысшему потенциалу схемы. Возникающая обедненная область играет роль своего рода барьера, препятствуя протеканию шумового тока по короткому пути. Соответственно растет сопротивление, и помеха ослабляется. Второй способ – экранирование поверхностных и горизонтальных токов с помощью охранных колец – высоколегированных диффузионных областей, окружающих чувствительные аналоговые элементы (рис. 55, б). Охранные кольца подключаются к низшему потенциалу схемы. Отметим, что нежелательно непосредственно соединять охранные кольца с подложкой на кристалле, так как помеха может пройти через охранное кольцо в подложку рядом с чувствительным элементом. Контактов к охранному кольцу должно быть как можно больше.

Рис. 55. Способы экранирования распространения шумов по подложке: с использованием барьера на основе кармана n-типа (а), с использованием охранного кольца (б)

161

Еще один метод экранирования, обеспечивающий большую степень защиты от взаимного влияния элементов по подложке, чем два предыдущих способа, показан на рис. 56. К сожалению, он доступен, только если используемая технология позволяет делать глубокие карманы. Такой n-карман становится своего рода локальной подложкой для внутренней схемы. Он подключается к изолированному потенциалу, а внутри глубокого кармана создаются более мелкие карманы p-типа.

Итак, если позволяет технология, конечно, используем глубокие карманы. Кроме того, два первых способа хорошо сочетаются и в совокупности дают неплохой результат, поэтому не стоит забывать и о них. Общая рекомендация состоит в том, что аналоговые и цифровые блоки желательно размещать на максимально возможных расстояниях друг от друга и разделять их широкими защитными областями. Следует также отметить, что уровень шума в подложке пропорционален напряжению питания [32]. По этой причине выходные драйверы шумят больше внутренних схем, так как обычно питаются от источников с более высоким напряжением, чем ядро ИМС.

Рис. 56. Способ экранирования шумов в технологии с глубокими карманами

162

Оценим минимальное количество выводов, необходимое для качественной изоляции от шумов по питанию и подложке:

1). аналоговая «земля»;

2). аналоговое питание;

3). цифровая «земля»;

4). цифровое питание;

5). охранные кольца n-типа;

6). охранные кольца p-типа;

7). подложка.

Итого - семь выводов. Такова цена качественной изоляции.

3.9.5. Защита от электростатического разряда

Электростатический разряд (ЭСР, ESD) приводит к серьезным последствиям, включая пробой и повреждение диэлектрика, а также лавинный пробой p-n перехода. При особенно сильном ЭСР возможно даже испарение металлизации и разрушение кремния

[23].

Самый распространенный источник статического электричества – человеческое тело. При ходьбе по поверхности, обладающей диэлектрическими свойствами, на теле может накопиться заряд, создающий электростатический потенциал относительно окружающих предметов величиной несколько киловольт, иногда даже свыше 20 кВ. Поэтому если коснуться выводов микросхемы незаземленной рукой, может возникнуть ЭСР соответствующей амплитуды. Несмотря на то, что разрядный импульс – короткий (порядка 200 нс), этого вполне достаточно для необратимых повреждений микросхемы.

Проблема защиты от статического электричества особенно актуальна для современных КМОП микросхем, в которых толщина подзатворного диэлектрика составляет десятки ангстрем. Этой проблеме посвящено множество работ, например [33, 34], где подробно как с теоретической, так и с практической точки зрения, рассматриваются способы ее решения. Моделировать защиту от ЭСР очень сложно. Нужны долговременные исследования, выпуск множества тестовых образцов. Поэтому разработчики микросхем редко занимаются таким моделированием. Обычно эту работу выполняют фабрики.

163

Они включают в состав пакетов своих проектных библиотек набор входных и выходных элементов, защищенных от статического электричества. Часто они представлены как библиотеки входных и выходных контактов, а фактически это наборы стандартных ячеек, подключенных к контактным площадкам. Такие стандартные ячейки можно использовать в своих проектах.

Назначение защиты от ЭСР – отвести избыточный заряд от уязвимых внутренних схем. При этом важно обеспечить равномерное растекание избыточного тока, своевременное включение защитного элемента и быстрый отвод тока с наименьшим рассеиванием тепла [9]. В качестве защитных элементов используются обратно смещенные диоды на основе перехода сток-подложка МОП транзисторов. Транзисторы имеют широкую диффузионную область стока со специальным салицидным (salicide, self-align silicide) покрытием для формирования балластного резистора. С целью предотвращения защелкивания используются охранные кольца. Стандартная защита выдерживает напряжение 2000 В, если выполнять тестирование в соответствии с моделью человеческого тела [9] и напряжение 200 В, если для тестирования использовать так называемую машинную модель.

На рис. 57 показан пример организации защиты от статического электричества на базе стандартных ячеек окружения внешних выводов ИМС (pad based ESD protection). ЭСР отводится по двум периферийным шинам питания VDDe и VSSe. Каждая входная и выходная ячейка помимо драйвера содержит элементы защиты от ЭСР, представляющие собой n- и p-канальные транзисторы особой топологии. Защита ряда аналоговых блоков может отличаться от защиты других блоков типами используемых компонентов из-за необходимости компромисса между степенью защиты и дополнительными паразитными эффектами, вносимыми этими компонентами. Выводы питания и «земли» также защищаются от воздействия статического электричества. Дополнительные элементы защиты часто встраиваются даже в каждый из углов кристалла микросхемы.

164

«землю» периферийного кольца защиты от ЭСР прерывать не стоит, чтобы заряд с любого участка шины мог беспрепятственно стекать на соответствующую ножку микросхемы.

•Механические воздействия на кристалл при резке пластины могут повредить металлические дорожки периферийных шин, расположенные поблизости от углов кристалла. Кроме того, по кольцам периферийных шин могут протекать значительные токи. Поэтому у этих колец обрезают углы под наклоном 45 градусов, а в углах кристалла не размещают контактные площадки. Однако в них можно расположить дополнительные элементы защиты от статического электричества. Соответствующие стандартные ячейки обычно содержатся в библиотеке входных и выходных элементов.

•Не рекомендуется проводить пути оттока заряда статического электричества через внутренние блоки. Периферийные шины питания и цепи защиты от ЭСР не должны объединяться с внутренними шинами питания, а должны иметь отдельные контактные площадки.

3.9.6.Контактные площадки

Любая микросхема должна иметь интерфейс для связи с внешним миром. Интегральные схемы подключаются к другим электронным компонентам через выводы корпуса. Вплоть до разделения выводов на финальной стадии изготовления ИМС они объединены монтажной рамкой, как показано на рис. 58. Внутри корпуса выводы подводятся к контактным площадкам, расположенным по периметру зоны расположения чипа. При монтаже кристалла его контактные площадки соединяются отрезками золотой или алюминиевой проволоки с выводами корпуса методом сварки или термокомпрессии.

166

тия можно делать не только для контактных площадок. Многие технологии позволяют вскрывать небольшие окна размерами до 6 x 6 мкм над специальными областями металла (probe pad), предназначенными для тестирования ИМС. Через эти окна с помощью специальных игл можно контролировать потенциалы и форму сигналов в нужных точках.

Стандартная ячейка КП, поставляемая в составе пакета проектных библиотек, – не только собственно контакт, но и дополнительный набор элементов, а именно:

•схема защиты от статического электричества;

•интерфейс с внутренней схемой кристалла;

•блоки, реализующие дополнительные функции, например буфер с тремя состояниями.

В итоге топологический размер ячейки разрастается и может занять значительную площадь на кристалле. В связи с этим разработчики проектных библиотек оптимизируют стандартные ячейки КП по площади, приводя их к двум основным вариантам. Первый вариант предназначен для кристаллов, минимальный размер которых ограничивается контактными площадками (pad-limited). Они имеют большое число выводов, но относительно небольшое по площади ядро, что характерно для цифровых БИС. В этом случае КП вместе

сих интерфейсами располагаются настолько близко друг к другу, насколько это позволяют нормы. В результате ячейки вытягиваются, занимая значительную площадь внутри кристалла (рис. 60, а). Их называют pad-limited ячейками. Мы также будем использовать это название за отсутствием иного адекватного по значению краткого термина.

Второй тип ячеек КП предназначен для кристаллов с небольшим числом выводов, но большим ядром, площадь которого и ограничивает его минимальный размер (core-limited). Если периметра ядра достаточно для размещения всех КП, необходимо использовать этот тип ячеек (рис. 62, б). Они имеют меньшую высоту, что позволяет оптимизировать площадь микросхемы с большим ядром. По причине изложенной выше мы будем их назвать core-limited ячейками.

169