Специфика физического проектирования.
Аналоговые блоки требуют тщательного и продуманного физического проектирования, для того чтобы добиться от реализуемого устройства требуемых параметров. Физическим проектированием называется проектирование непосредственно топологии того или иного блока.
Специфика проектирования топологии таких блоков состоит в том, что их характеристики сильно зависят от физической реализации. Поэтому физическое проектирование схем аналоговых блоков в цифро - аналоговых ИМС выходит на первый план по важности при разработке всего кристалла. Можно спроектировать прекрасно работающую при моделировании схему операционного усилителя, но из-за неграмотного проектирования топологии в физической реализации данная схема работать не будет. Поэтому следует особое внимание уделять физическому проектированию аналоговых схем, обращая особое внимание на их защиту от негативных факторов, таких как помехи, влияние механического напряжения, возникновение антенного эффекта, включение паразитного тиристора и т.п.
Таким образом, конструкции дифференциальных пар (ДП), токовых зеркал (ТЗ), аналоговых ключей и матриц согласованных конденсаторов требуют тщательного проектирования для достижения желаемых результатов.
Для нормальной работы рассматриваемых элементов определяющее значение имеет воспроизводимость параметров и согласованность составляющих их элементов, в связи с чем, к топологической конструкции этих приборов предъявляются высокие требования. Проблема заключается в получении идентичных характеристик входящих в СФ-блоки МОП-транзисторов и конденсаторов, которые могут отличаться ввиду неоднородности (разброса) технологических параметров. Известно, что даже для хорошо управляемых и стабильных технологических процессов современных микроэлектронных производств разброс параметров технологии составляет < ± 10 % для пластин и ~ 0.5 % для одного кристалла, что, например, для скоростных многоразрядных ЦАП и АЦП имеет принципиальное значение.
На рис.1.9 представлен расчёт рассогласования по току на примере токового зеркала, выполненного по КМОП-технологии 0.18 мкм, в том числе с размерами длины канала МОП транзистора (L) 0.18 и 1 мкм, при возможных технологических изменениях длины канала ΔL транзисторов на 5 нм и 15 нм. Можно видеть, что рассогласование может достигать 5 % в малом диапазоне токов, причем с уменьшением размеров каналов транзисторов токовых зеркал величина рассогласования резко возрастает.
Рис. 1.9. Иллюстрация расчёта рассогласования по току в ТЗ, выполненных с использованием МОП-транзисторов с L=180 нм, W=240 нм (а), L=1 мкм, W=3 мкм (б)
Данная проблема решается с помощью использования определенных методов построения топологии согласованных элементов, что приводит к уменьшению разброса параметров конструкторскими решениями, учитывающими взаимное расположение транзисторов (конденсаторов) и их геометрию .
Причины рассогласования элементов и способы их устранения.
Основными причинами рассогласования элементов являются отклонения геометрии элементов и механические напряжения в пределах кристалла, возникающие в ходе изготовления ИМС, включая корпусирование кристаллов. Оптимизация размещения согласованных элементов на кристалле может уменьшить чувствительность схемы к возникающим механическим напряжениям и ряду других негативных факторов. После корпусирования в кристалле возникают дополнительные механические напряжения, могущие вызвать дополнительное рассогласование элементов. Известно, что данные механические напряжения минимальны в центре кристалла и в центрах его сторон, а максимальны в углах кристалла. Согласованные элементы по току и напряжению необходимо располагать в местах с минимальным механическим напряжением.
Еще одной важной причиной рассогласования элементов является пьезочувствительность кремния, что проявляется в изменении его удельного сопротивления под действием механических напряжений. Поэтому согласованные элементы необходимо располагать вдоль осей с минимальной пьезочувствительностью.
Источниками рассогласования также могут быть технологические факторы при изготовлении кристаллов, например, дефекты исходной кремниевой пластины, смещение масок при фотолитографии и неравномерность травления транзисторов ИМС, в совокупности вызывающие невоспроизводимость размеров элементов ИМС, наличие негативного влияния соседних структур и электростатическое взаимодействие, модуляции напряжения и инжекции заряда, а также диэлектрическая поляризация. В результате совокупности факторов (т.е. в зависимости от расположения пластин в рабочих камерах, характеристик и параметров технологических установок) после прохождения всех этапов технологического процесса на пластине формируется сложный рельеф микроскопических неоднородностей. Поэтому при разработке проекта очень важно тесное сотрудничество тополога и технолога.
Ввиду вышеуказанной многофакторности, в настоящее время не существует общих решений минимизации рассогласования элементов в ИМС. Одним из вариантов минимизации рассогласования является оптимизация топологии элементов в СФ-блоках ИМС. Например, дифференциальные пары и токовые зеркала строятся на основе согласованных транзисторов и чем точнее они согласуются, тем меньший дисбаланс токов и напряжений имеет место в готовом блоке ИМС. Для минимизации рассогласования предлагаются принципы построения топологии согласованных интегральных элементов.