Использование элементов защиты.
При проектировании высокоточных аналоговых схем необходимо избегать возможности возникновения паразитных эффектов, которые влияют на работоспособность схем. Правильное расположение элементов и использование дополнительных конструкций помогают справиться с этими проблемами.
Защита от паразитного тиристора.
Все МДП транзисторы должны иметь электрическое соединение с подложкой (карманом) для нормального протекания тока. Транзисторы, у которых отсутствует контакт или контакт располагается на значительном расстоянии, подвержены появлению эффекта защелкивания. Контакт к n-карману должен быть подсоединен к потенциалу большему или равному потенциалу на истоке p-канального транзистора, а контакт к подложке должен быть подсоединен к потенциалу меньшему или равному потенциалу на истоке n-канального транзистора.
Так как проектируемые нами ячейки будут использоваться в разных структурах схем. То при определенных расположениях, например при близком расположении n и p транзисторов может возникнуть паразитный тиристор. При проектировании комплементарных аналоговых ключей также может возникнуть структура паразитного тиристора, в результате чего появится паразитный ток, который может привести к отказу устройства. Наиболее предпочтительным способом, с точки зрения предотвращения эффекта защелкивания, является расположение контактов в виде охранных колец. Поэтому мы окружаем транзисторы охранными кольцами (Рис.2.19). Для p-канальных транзисторов – это контакты к карману, которые объединяем с истоками. Для n-канальных транзисторов – это контакты к подложке, которые также объединяем с истоками.
Рисунок 2.19. Использование охранных колец в аналоговых ключах с компенсацией инжекции заряда.
Для лучшей защиты необходимо располагать охранные кольца как можно ближе к активным элементам.
Охранные кольца, подсоединенные к земле через выделенные контакты, защищают также транзисторы от шумов, распространяющихся по подложке. Изоляция происходит благодаря тому, что колебания потенциала подложки, возникающие при работе цифрового блока, поглощаются контактами охранного кольца, расположенными в непосредственной близости от приемника. Это необходимо учитывать, так как наша библиотека будет использоваться в разных схемах.
Защита от антенного эффекта.
В рассматриваемой технологии объемного кремния с минимальными топологическими нормами 0.18мкм при производстве схем применяется процесс травления, в результате которого на поверхности и по периметру травимых площадей образуется некоторое количество статического заряда. В случае если топологические примитивы электрически соединены с областью затвора транзистора и образующийся заряд достаточно велик, может произойти пробой подзатворного диэлектрика или частичное ухудшение его электрических свойств.
Учёт антенного эффекта осуществляется вычислением отношения площади полигонов, электрически соединённых с затворами транзисторов, к площади самих затворов. Причём в расчёт не берутся полигоны, которые кроме затворов подключены также к областям диффузии, так как такое подключение обеспечивает “стекание” заряда в подложку и устраняет влияние данного эффекта.
(2)
По формуле 2 находятся соотношения для всех металлов, подключенных к затвору через металла 1.
– сумма
вычисляется для всех металлов, подключенных
к металлу 1.
Максимальное значение параметра CAR для данной технологии равно 60.
С учетом дальнейшего использования ячеек в больших схемах необходимо учитывать этот параметр, так как неизвестна длина предполагаемого соединения. Вероятность появления антенного эффекта возможна для соединения затворов в аналоговых ключах. Докажем эту вероятность расчетами.
Рассмотрим аналоговый ключ, состоящий из 3-х рабочих транзисторов (w = 0.28 мкм, l = 0.18 мкм). Ширины проводников, соединяющих затворы минимальны (wпроводника = 0.32 мкм). Топология ключа приведена на рисунке 2.20.
Рисунок 2.20. Топология аналогового ключа с размерами транзисторов w = 0.28 мкм, l = 0.18 мкм, N = 3.
Рассчитаем минимальную длину шины металла 2, подведенной к затворам внутренних транзисторов, при которой большая вероятность возникновения антенного эффекта. Для этого найдем значение параметра CAR и приравняем его к 60.
Sgate = 0.28*0.18*3 = 0.15
SM1 = 3.46*0.32 + 0.96*0.32*3 = 2.03
SM2 = 2.24*0.32*3 + 0.32*Х = 2.15 + 0.32*Х
CAR = (2.03 + 2.15 + 0.32*Х) / 0.15 = 60
Х = 15 мкм
Таким образом, при длине проводника L > 15 мкм, большая вероятность возникновения антенного эффекта. Для устранения данного эффекта могут быть использованы:
- дополнительные диоды. К полигонам, вызывающим эффект накопления заряда, подключают минимальных размеров диоды, по которым стекает весь нежелательный заряд в подложку. Однако применение этого приёма может повлиять на работоспособность схемы и увеличить занимаемую площадь, поэтому его следует применять в отдельных случаях.
- металлические перемычки в более высоком слое металлизации для уменьшения площади полигона соединённого непосредственно с затвором (Рис.2.21).
Рисунок 2.21. Элемент защиты от антенного эффекта.
Этот способ более простой и не влечет за собой негативных эффектов, как первый. Поэтому при построении ячеек мы будет использовать перемычки в верхний металл. В нашей технологии верхним является металл 4. На рисунке 2.22 показана топология аналоговых ключей с защитой от антенного эффекта.
а)
б)
Рисунок 2.22. Аналоговые ключи с разными вариантами элементов защиты от антенного эффекта.
Из соображений надежности для ячеек был выбран вариант защиты, который указан на рисунке 2.22 (б), так как он содержит меньше переходов между металлами. Наличие переходов влечет за собой много паразитных помех.