Для магистратуры / CMOS_IC

41

минимальная ширина (или длина) фигуры в одном слое – ширина, не превышающая минимального топологического размера F, т.е. минимально воспроизводимого размера; минимальный зазор между фигурами – расстояние между отстоящими

друг от друга фигурами в одном или нескольких топологических слоях; минимальное вложение между фигурами – расстояние от внутренней фигуры до внешней; минимальный наплыв одной фигуры на другую – расширение одной фигуры над другой.

Первый параметр относится к фигурам в одном слое (например, ширина поликремниевого затвора – рис.3.2), второй – к фигурам как в одном, так и в разных слоях (например, расстояние между затворами и расстояние от затвора до контактного окна к стоку – рис.3.3 и рис.3.2), последние два параметра относятся к фигурам в разных слоях (например, вложение контактного окна в область стока, наплыв поликремниевой шины затвора на область полевого диэлектрика – рис.3.2).

Субмикронная технология и тем более технология «глубокого субмикрона» базируется на строгих правилах проектирования и фактически размеры всех элементов (и их взаимное расположение) задаются индивидуально в абсолютных величинах. Количество топологических параметров может составлять десятки и сотни, поскольку топологических слоев более двадцати.

Во многих случаях для оценки площади, занимаемой отельным элементом (элемент, памяти, логический вентиль), можно полагать, что все топологические размеры за исключением расстояния от стока/истока до границы кармана равны F. Само расстояние можно считать лежащим в интервале от 2F (оптимистический вариант) до 4F (пессимистический вариант).

3.3. Основные топологии КМОП приборов.

3.3.1. МОП-транзисторы

Наряду с простейшими топологиями транзисторов широко используются и более сложные.

Многозавторные МОП-транзисторы имеют несколько соеди-

ненных затворов, что позволяет оптимально реализовать приборы с широкими каналами (W/L велико). Разновидностями многозатворных МОПтранзисторов являются свернутый и грабенчатый МОП-транзисторы.

Свернутый МОП-транзистор (рис.3.5,а) содержит два затвора,

поэтому позволяет при заданной ширине канала вдвое уменьшить ширину активной области. Это существенно уменьшает площадь истока/стока S/D (а значит и паразитные емкости, обусловленные площадью) и площадь

42

всего прибора, а также снижает сопротивление затвора. Однако емкость S/D, обусловленная периметром S/D, возрастает.

Гребенчатый МОП-транзистор (рис.3.5,б) используют при очень широких каналах. Они имеют не только лучшие емкостные и резистивные характеристики, но и более подходящую форму, чем однозатворные МОП-транзисторы.

Рис.3.5. Топология многозатворных МОП-транзисторов: а – свернутого, б – гребенчатого.

МОП-транзисторы в аналоговых схемах. В аналоговых схемах к МОП-транзисторам предъявляются гораздо более строгие требования, чем в цифровых схемах. Это обусловлено и характером сигналов, принимающих непрерывный ряд значений, и необходимостью достижения высоких коэффициентов усиления. Первое условие накладывает ограничения на разброс характеристик транзисторов, а второе – на величину выходного сопротивления. Для удовлетворения таких требований в аналоговых интегральных схемах, как правило, приходится использовать транзисторы с длиной канала, в 1,5 – 2, а в критических случаях в 4 раза превышающей минимальный топологический размер. Это неизбежно увеличивает размеры схем, ухудшает быстродействие и повышает потребляемую мощность. Более того, с переходом к «глубокому субмикрону» из-за снижения напряжения питания резко уменьшается динамический диапазон, и необходимо существенно изменять сами схемы.

3.3.2. Резисторы

Топология простейшего резистора представляет собой прямоугольную область в резистивном слое (рис.3.6).

43

Рис.3.6. Топология резистора.

Величина сопротивления определяется формулой

где xj – толщина резистивнрого слоя; ρ – удельное объемное сопротивление материала резистивного слоя; Ом см, и ρs - удельное сопротивление резистивного слоя в Ом/ . 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 сопротивлений необходимо использовать достаточно широкие резисторы (W>>F).

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.3.7). Они занимают меньшую площадь и экономно размещаются на кристалле.

Рис.3.7. Топология свернутого резистора: а – змейка, б – секционированная змейка.

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.3.7,б).

3.3.3. Конденсаторы

Простейшая топология конденсатора представляет собой совокупность двух прямоугольников (обкладок), один из которых вложен в другой (рис.3.8).

45

их параметров в заданный диапазон. Однако во многих случаях, особенно при проектировании аналоговых схем, требуются приборы с очень маленьким разбросом параметров, что достигается в первую очередь исключением минимально возможных размеров в критичных элементах. В результате за счет некоторого ухудшения быстродействия удается снизить разброс параметров.

Технологический маршрут изготовления интегральных схем представляет собой длинную последовательность физико-химических операций. Характеристики приборов в ИС имеют существенный разброс, обусловленный вариацией распределения легирующих и посторонних примесей в кремнии, отклонениями геометрических размеров проводящих и изолирующих областей приборов. В работающей ИС приборы подвергаются как внешним воздействиям, так и взаимно влияют друг на друга. Некоторые параметры приборов изменяются со временем, особенно при работе в "жестких" условиях. Таким образом, можно выделить несколько причин разброса параметров приборов, которые необходимо анализировать и устранять.

Во многих случаях существенным является относительный разброс параметров приборов в пределах одной интегральной схемы. Например, характеристики цифроаналоговых преобразователей зависят от разброса параметров резисторов (конденсаторов) внутри отдельного кристалла. Иногда важную роль играет является разброс параметров даже в пределах одной элементарной схемы. Например, характеристики усилителей с дифференциальным входом зависят от симметрии входных транзисторов.

Зависимость разброса параметров близкорасположенных элементов от их геометрии описывается эмпирической формулой Пелгрома

где σ(δР) – стандартное отклонение разности параметров двух одинаковых элементов; W L –площадь активной области элемента; D – расстояние между элементами; АP и SP – константы, определяемые экспериментально. Так, для порогового напряжения МОП, изготовленного по технологии 0,25 КМОП, величины АР и SP составляют примерно 5 и 1 мВ мкм, соответственно.

Существуют различные способы согласования параметров приборов в пределах одного кристалла. Как отмечалось, в первую очередь необходимо снизить относительный разброс параметров выбором оптимальных топологических размеров. В критичных приборах используют размеры, большие минимально допустимых. При проектировании подобных приборов соблюдают ряд дополнительных требований:

46

1)одинаковые размеры и ориентация;

2)максимально близкое размещение;

3)компактность и малое аспектное отношение;

4)удаленность от источников мощных сигналов и источников тепла;

5)удаленность от периферии кристалла;

6)отсутствие посторонних проводников (областей) над и под приборами;

7)размещение пассивных элементов над полевым оксидом;

8)использование средств защиты от электрических полей (экранов);

9)симметричное размещения приборов, в том числе использование центроидной симметрии.

47

Глава 4. Однокаскадные КМОП усилители

4.1. Комплементарный КМОП инвертор

Одним из достоинств КМОП схем является возможность построения симметричных усилителей, на основе комплементарных транзисторов, рис.4.1.

Рис.4.1. Комплементарный инвертор

В таком усилителе каждый из транзисторов и n-МОП, и p-МОП является активным. Общая крутизна при этом возрастает. Симметрия схемы позволяет получить симметричные характеристики, как статические, так и динамические. Однако различия в параметрах самих МОП-транзисторов ограничивают эти возможности.

На примере комплементарного инвертора рассмотрим следующие основные статические и динамические характеристики усилителей:

1)напряжение питания;

2)потребляемый ток;

3)коэффициент усиления;

4)импедансы (входной и выходной);

5)рабочий диапазон;

6)коэффициент нелинейности;

7)быстродействие – частотная характеристика.

Многие из перечисленных параметров вытекают из передаточной характеристики усилителя, для вычисления которой воспользуемся выходными ВАХ МОП-транзисторов (см. формулы (2.7), (2.11)).

4.1.1. Передаточная характеристика

Передаточная характеристика инвертора связывает выходное напряжение схемы Vout с напряжением входного сигнала Vin (рис.4.2).

48

Рис.4.2. Передаточная характеристика КМОП инвертора.

В ней можно выделить пять областей:

А – n-МОП закрыт, p-МОП в линейном режиме;

B– n-МОП в режиме насыщении, p-МОП в линейном режиме;

C– оба транзистора в режиме насыщения;

D– n-МОП в линейном режиме, p-МОП в режиме насыщения;

E– n-МОП в линейном режиме, p-МОП закрыт.

Если ВАХ транзисторов заданы аналитически, то передаточная ВАХ определяется путем решения уравнения

где Vin = VGn = VGp + VDD ,Vout = VDn = VDSp + VDD .

Область А: Vin < Vtn; n-МОП закрыт, p-МОП открыт и нахо-

дится в линейном режиме, ток через инвертор равен нулю. Из (4.1) следует

49

Область B: Vtn < Vin < VDD / 2 ; n-МОП в режиме насыщения, p- МОП в линейном режиме. Из (4.1) для области В следует

Поскольку приведенное уравнение не зависит от Vout , то оно определяет только значение входного напряжения, при котором существует область D. Решение приведенного уравнения дает

При этом выходное напряжение может находиться в некотором диапазоне значений, т.е передаточная функция становится вертикальной.

Особый интерес представляет симметричный комплементарный инвертор, у которого βn = βp и Vtn = Vtp ( n-МОП и p-МОП согласованы – электрически эквивалентны). Из первого равенства вытекает требование (Wp / Lp) / (Wn / Ln) = µn / µp. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок, то n-МОП и p-МОП-топологически различаются. Для симметричных КМОП инверторов область С соответствует середине рабочего диапазона и передаточная характеристика симметрична

Область D: VDD / 2 < Vin < VDD –Vtp, p-МОП в режиме насыщения, n-МОП в линейном режиме. Из (4.1) для области D следует