3. Построение разводки.

При создании топологии высокоточных аналоговых схем особое внимание уделяется проектированию разводки. Рассмотрим основные требования к построению проводников в высокоточных аналоговых схемах.

Защита проводников от помех.

Необходимо избегать высокоомных поликремневых соединений. Так как они вносят дополнительные задержки в работу схемы и соответственно уменьшают ее быстродействие. Поэтому при соединении затворов, необходимо переходить на металлические шины.

Металлические шины не следует проводить над рабочими областями, чтобы избежать помех от сигналов, проходящих по этим шинам, которые могут привести к неправильной работе элемента. Подобная проблема может привести и к полному отказу устройства. Например, если над затвором транзистора провести высоковольтную шину. Напряжение шины может быть достаточно велико, чтобы привести к пробою диэлектрика между металлом и затвором, а также подзатворного окисла. В результате подзатворный окисел выгорает, и транзистор перестает работать, возникает паразитный ток утечки.

По той же причине не следует размещать контакты над активными областями.

Для надежности работы схемы необходимо прорисовывать как минимум два контакта. Это связано с тем, что при производстве микросхемы на фабрике может произойти сбой. Большее количество контактов уменьшает вероятность брака.

На рисунке 2.17 показан пример построения разводки, учитывающий указанные требования.

Рисунок 2.17. Пример построения разводки для аналогового ключа.

При построении топологии высокоточных схем, необходимо отделять шины, по которым идет изменяющийся во времени сигнал, друг от друга и от шин с постоянным сигналом. Чтобы они не наводили помехи друг на друга и не изменяли входной сигнал. Для решения этой проблемы нужно использовать специальные шины металла, подключенные к земле, между проводниками точных, высокочастотных аналоговых схем. По этой причине при построении разводки матрицы согласованных конденсаторов мы отделили шины, идущие к положительным обкладкам конденсаторов, от шин, идущих к отрицательным обкладкам конденсаторов, металлическими шинами, подключенными к постоянному сигналу земли (Рис 2.18).

Рисунок 2.18. Пример построения разводки для матрицы согласованных конденсаторов.

Защита от критического значения падения напряжения.

При построении параметризованных ячеек необходимо помнить о том, что размеры ячеек могут быть большими, а шины разводки длинными. При протекании тока по слишком длинным проводникам может быть существенное падение напряжения, которое может привести к неработоспособности схемы. Это происходит из-за резистивной составляющей всех проводников, увеличивающейся по мере увеличения его длины. Для исключения такой возможности необходимо проводить расчет зависимости падения напряжения от длины шины.

Расчет падения напряжения в зависимости от длины шины.

1. – где - количество квадратов проводника. На один квадрат приходится сопротивление равное 0.1 Ом.

2. – общее сопротивление проводника.

3. , где I – максимальный ток, который будет проходить через шину.

Проведем обратный расчет. Считаем, что нам известно значение падения напряжения и длина проводника. Найдем минимально - допустимую ширину шины на примере аналогового ключа с компенсацией инжекции заряда. Так как мы проектируем высокоточные аналоговые схемы, поэтому нам необходима предельная точность. Возьмем значение падения напряжение равное 1% от рабочего напряжения. Рабочее напряжение равно 1.8 В. Оценив топологический эскиз ячейки и наиболее применяемые на практике размеры ключей, мы задали максимальную длину шины 200 мкм. Расчет будем проводить для шины стока/истока при токах 1мкА, 100мкА, 1мА и 20 мА.

Для I = 1 мкА:

Для I = 100 мкА, W = 0.11 мкм.

Для I = 1 мА, W = 1.11 мкм.

Для I = 20 мА, W = 22.22 мкм.

В результате, можно сделать вывод, что при длинных шинах минимальная ширина равная для первого металла 0.32 мкм не достаточна. Рассчитаем максимальный ток при минимальной ширине шины для первого металла.

Таким образом, построение проводника минимального размера не допустимо уже при токах больше 0.3 мА.

Защита от эффекта электромиграции.

При наличии шин с высокими токами необходимо исключить возможность возникновения эффекта электромиграции. Для этого необходимо увеличить ширину шин или строить дополнительные шины параллельные им, уменьшая тем самым нагрузку на одну шину. Для рассматриваемой технологии объемного кремния с минимальными топологическими нормами 0.18 мкм в таблице 1 приведен список максимальных токов для разных ширин шин металлов 1-6 в зависимости от рабочей температуры.

Таблица 1. Список зависимостей «максимальный ток – минимальная ширина» при учете влияния эффекта электромиграции.

Температура	Параметр	1,2,3 металлы, мА	4 металл, мкА
142оС	Ieqmax для wmin	0.24	0.92
	Ieqmax для w = 1 мкм	0.85	1.59
125 оС	Ieqmax для wmin	0.36	1.40
	Ieqmax для w = 1 мкм	1.29	2.42
70 оС	Ieqmax для wmin	1.87	7.18
	Ieqmax для w = 1 мкм	6.63	12.41

Разработчик при построении разводки должен знать, какой максимальный ток будет проходить через элемент и в зависимости от этого рассчитать ширину шины, которая исключит появления эффекта электромиграции. Ниже приведена формула для расчета.

, (1)

где I – максимальный ток, протекающий через шину.

В качестве примера рассчитаем ширину шины первого металла при T = 70^oC и I = 20 мА, которая исключает повреждение шины в результате эффекта электромиграции.

.

Таким образом, при ширине шины меньше 3 мкм протекающий через нее ток 20 мА приведет к последующему повреждению проводника, вплоть до его разрыва.

Для повышения надежности работы схемы необходимо с увеличением длины шины увеличивать и количество контактов.

На основе проведенного исследования, с учетом эффекта электромиграции и падения напряжения при создании параметризованных ячеек мы ввели дополнительный параметр, который отвечает за ширину шин. Пользователь сможет сам выставлять это значение, тем самым выбирая оптимальное соотношение между протекающим током и площадью.

Для аналоговых ключей предусмотрены два параметра. Для шин, подходящих к стоку/истоку, и для шин, подходящих к затвору, введены разные параметры, так как разное значение протекающих по этим шинам токов и соответственно разное значение ширин проводников.