Elementy i sprzężenia pasożytnicze w układach CMOS

Transkrypt

1 PUAV Wykład 5

2 Elementy i sprzężenia pasożytnicze w układach CMOS Elementy i sprzężenia pasożytnicze - ich obecność, ich parametry, ich oddziaływania na działanie układu - nie są możliwe do oszacowania przed zaprojektowaniem topografii (z wyjątkiem tych, które są częścią składową struktur elementów czynnych). Gdy topografia jest zaprojektowana, elementy i sprzężenia pasożytnicze mogą być z mniejszą lub większą dokładnością włączone do schematu układu w procesie ekstrakcji schematu, i uwzględnione w symulacjach.

3 Elementy i sprzężenia pasożytnicze w układach CMOS Bierne elementy pasożytnicze: Pojemności Rezystancje Indukcyjności - istnieją, ale nie będą omawiane Czynne elementy pasożytnicze: Diody Tranzystory bipolarne - powinny być nieaktywne Tyrystory i zjawisko latch-up - nie powinny wystąpić Pasożytnicze tranzystory MOS - nie powinny wystąpić Sprzężenia przez podłoże Sprzężenia cieplne

4 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Metal1 N implant Poly Active Contact cut

5 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) NMOS_channel = Active N implant Poly Metal1 N implant Poly Active Contact cut

6 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) NMOS_channel = Active N implant Poly Metal1 N implant Poly Active NMOS_S/D = Active N implant Contact cut

7 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) NMOS_channel = Active N implant Poly Metal1 N implant Poly Active Contact cut NMOS_S/D = Active N implant NMOS_S/D contact = NMOS_S/D Metal1 Contact cut

8 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Metal1 M1_to_N_S/D capacitor = NMOS_S/D Metal1!Contact cut N implant (ten kondensator jest zwarty) NMOS_channel = Active N implant Poly Poly Active Contact cut NMOS_S/D = Active N implant NMOS_S/D contact = NMOS_S/D Metal1 Contact cut

9 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Poly Metal1

10 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Poly_contact = Poly Metal Contact cut Poly Metal1

11 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Poly_contact = Poly Metal Contact cut Poly Metal1 (ten kondensator jest zwarty) M1_to_poly_capacitor = Poly Metal!Contact cut

12 Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) Metal1 property: obszar rezystywny, R s =0.09Ω/ Poly property: obszar rezystywny, R s =10Ω/ NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm NMOS_S/D property: obszar rezystywny, R s =9Ω/ NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω

13 Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) Metal1 property: obszar rezystywny, R s =0.09Ω/ Poly property: obszar rezystywny, R s =10Ω/ NMOS_S/D property: obszar rezystywny, R s =9Ω/ 1 2 NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω GND M1,120/90 3 Ekstrakcja nominalna (tylko tranzystory MOS, rezystancje -> zwarcia)

14 Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) Metal1 property: obszar rezystywny, R s =0.09Ω/ Poly property: obszar rezystywny, R s =10Ω/ NMOS_S/D property: obszar rezystywny, R s =9Ω/ 1 2 NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω 4 3 R1 = R met1 +R cont +R SD R3 = R poly 2 1 GND M1,120/90 3 Ekstrakcja nominalna (tylko tranzystory MOS, rezystancje -> zwarcia) 2 R2 = R met1 +R cont +R SD 1 GND M1,120/90 3 Ekstrakcja z elementami pasożytniczymi

15 Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności

16 Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny)

17 Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny) R: rezystancja kontaktu gdy C pomijalne gdy R pomijalne C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny - obszar kontaktu)

18 Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny) R: rezystancja kontaktu gdy C pomijalne gdy R pomijalne C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny - obszar kontaktu) Projektant ma możliwość decyzji: które elementy pasożytnicze mają być uwzględnione, które pominięte

19 Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista

20 Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista 2 1 GND M1,120/90 3 Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych M GND NCH W=120E-9 L=90E-9....MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO= Model tranzystora MOS dodany z PDK

21 Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista 2 1 GND M1,120/90 3 Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych M GND NCH W=120E-9 L=90E-9....MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO= Model tranzystora MOS dodany z PDK 6 5 R3 2 R1 1 GND M1,120/90 3 R2 7 M GND NCH W=120E-9 L=90E-9... R Rezystancje obliczone R przez ekstraktor R MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=

22 Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista 2 1 GND M1,120/90 3 Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych M GND NCH W=120E-9 L=90E-9....MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO= Model tranzystora MOS dodany z PDK 6 5 R3 2 R1 1 GND M1,120/90 3 R2 7 M GND NCH W=120E-9 L=90E-9... R Rezystancje obliczone R przez ekstraktor R MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO= Ekstraktor oblicza przybliżone parametry elementów pasożytniczych

23 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych

24 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Starsze technologie: wymiary pionowe małe w porównaniu z poziomymi, pojemności można traktować w przybliżeniu jako kondensatory płaskie C pomijalne

25 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Starsze technologie: wymiary pionowe małe w porównaniu z poziomymi, pojemności można traktować w przybliżeniu jako kondensatory płaskie C pomijalne Technologie nanometrowe: wymiary poziome i pionowe porównywalne, poza tym znacznie więcej warstw metalu

26 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Starsze technologie: wymiary pionowe małe w porównaniu z poziomymi, pojemności można traktować w przybliżeniu jako kondensatory płaskie C pomijalne Technologie nanometrowe: wymiary poziome i pionowe porównywalne, poza tym znacznie więcej warstw metalu Złożoność obliczeniowa ekstrakcji pojemności w trzech wymiarach jest bardzo duża. Ekstraktory ekstrahują pojemności bliskiego zasięgu.

27 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Przykład ekstrakcji Pojemność lateralna Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Pojemności krawędziowe Podłoże Metal1 Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Pojemność kondensatora płaskiego

28 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Przykład ekstrakcji Pojemność lateralna Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Pojemności krawędziowe Podłoże Metal1 Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Pojemność kondensatora płaskiego W technologiach nanometrowych pojemności krawędziowe mogą być porównywalne z pojemnościami płaskimi

29 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe

30 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych Tranzystor nmos Tranzystor pmos M1 (Al) M2 (Al) M1 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy D Tlenek polowy Podłoże typu p D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe Ekstrakcja wszystkich pasożytniczych struktur npn i pnp nie ma sensu, byłoby ich bardzo dużo, a w normalnych warunkach żadna z nich nie działa jak tranzystor bipolarny

31 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych; markery

32 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych; markery Struktura pnp lub npn, która ma być wyekstrahowana jako tranzystor bipolarny, może być zaznaczona na specjalnej warstwie pomocniczej ( marker layer ).

33 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych; markery Struktura pnp lub npn, która ma być wyekstrahowana jako tranzystor bipolarny, może być zaznaczona na specjalnej warstwie pomocniczej ( marker layer ).

34 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych; markery Struktura pnp lub npn, która ma być wyekstrahowana jako tranzystor bipolarny, może być zaznaczona na specjalnej warstwie pomocniczej ( marker layer ). Takie markery służą też do innych celów: zaznaczenie obszarów, w których nie należy dokonywać ekstrakcji zaznaczenie cewek indukcyjnych po DRC - pokazanie naruszeń reguł projektowania

35 Ekstrakcja: przypadki szczególne Elementy pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Jeśli w modelu tranzystora MOS uwzględniane są złącza pn źródeł i drenów, ekstrakcja może dać wynik fałszywy

36 Ekstrakcja: przypadki szczególne Elementy pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Jeśli w modelu tranzystora MOS uwzględniane są złącza pn źródeł i drenów, ekstrakcja może dać wynik fałszywy MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 G2 S2 D1 G1 MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 Dwa tranzystory połączone szeregowo śceżką metalu, diody źródeł i drenów uwzględnione w modelach tranzystorów - OK S1

37 Ekstrakcja: przypadki szczególne Elementy pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Jeśli w modelu tranzystora MOS uwzględniane są złącza pn źródeł i drenów, ekstrakcja może dać wynik fałszywy MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 G2 S2 D1 G1 S1 D2 G2 S2 i D1 G1 S1 MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 Dwa tranzystory połączone szeregowo śceżką metalu, diody źródeł i drenów uwzględnione w modelach tranzystorów - OK Dwa tranzystory połączone szeregowo, ze wspólnym obszarem źródła/drenu: zapis taki jak wyżej spowodowałby przeszacowanie pojemności i prądu wstecznego obszaru wspólnego tranzystorów

38 Ekstrakcja: przypadki szczególne Elementy pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Jeśli w modelu tranzystora MOS uwzględniane są złącza pn źródeł i drenów, ekstrakcja może dać wynik fałszywy MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 G2 S2 D1 G1 S1 D2 G2 S2 i D1 G1 S1 MN Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 Dwa tranzystory połączone szeregowo śceżką metalu, diody źródeł i drenów uwzględnione w modelach tranzystorów - OK Dwa tranzystory połączone szeregowo, ze wspólnym obszarem źródła/drenu: zapis taki jak wyżej spowodowałby przeszacowanie pojemności i prądu wstecznego obszaru wspólnego tranzystorów Bezpieczniej jest ekstrahować jako tranzystory same kanały, a diody źródeł i drenów jako odrębne elementy pasożytnicze

39 Ekstrakcja: przypadki szczególne Tranzystory MOS jako komórki parametryzowalne ( p-cells ) Tranzystory MOS mogą być projektowane przy użyciu komórek parametryzowalnych; po podaniu parametrów (W, L, ew. inne) struktura tranzystora jest generowana przez program

40 Ekstrakcja: przypadki szczególne Tranzystory MOS jako komórki parametryzowalne ( p-cells ) Tranzystory MOS mogą być projektowane przy użyciu komórek parametryzowalnych; po podaniu parametrów (W, L, ew. inne) struktura tranzystora jest generowana przez program Taki tranzystor ma przypisany pełny model dla ekstraktora, z uwzględnieniem elementów pasożytniczych

41 Ekstrakcja: przypadki szczególne Tranzystory MOS jako komórki parametryzowalne ( p-cells ) Tranzystory MOS mogą być projektowane przy użyciu komórek parametryzowalnych; po podaniu parametrów (W, L, ew. inne) struktura tranzystora jest generowana przez program Taki tranzystor ma przypisany pełny model dla ekstraktora, z uwzględnieniem elementów pasożytniczych p-cell: zawiera pełny model, tranzystor + elementy pasożytnicze; ekstraktor nie powinien ich odrębnie ekstrahować

42 Ekstrakcja: przypadki szczególne Tranzystory MOS jako komórki parametryzowalne ( p-cells ) Tranzystory MOS mogą być projektowane przy użyciu komórek parametryzowalnych; po podaniu parametrów (W, L, ew. inne) struktura tranzystora jest generowana przez program Taki tranzystor ma przypisany pełny model dla ekstraktora, z uwzględnieniem elementów pasożytniczych p-cell: zawiera pełny model, tranzystor + elementy pasożytnicze; ekstraktor nie powinien ich odrębnie ekstrahować Ekstrakcja R, C tylko na zewnątrz

43 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale

44 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale

45 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować

46 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić:

47 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: Pozostawić te pojemności w netliście

48 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: Pozostawić te pojemności w netliście Wyekstrahować wraz z ich pojemnościami do podłoża

49 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: Pozostawić te pojemności w netliście Wyekstrahować wraz z ich pojemnościami do podłoża Usunąć z netlisty

50 Ekstrakcja: przypadki szczególne Pływające węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o pływającym potencjale Metal1 Nigdzie nie podłączona ścieżka metalu 2 Węzeł o pływającym potencjale Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: Pozostawić te pojemności w netliście Wyekstrahować wraz z ich pojemnościami do podłoża Usunąć z netlisty Zewrzeć do masy (ew. przez dużą rezystancję)

51 Ekstrakcja: przypadki szczególne Źródło pływających węzłów W nowszych technologiach wymagane jest zachowanie pewnej minimalnej gęstości figur geometrycznych na maskach, dlatego w obszarach pustych dodaje się wypełniacze ( dummy fills )

52 Pojemności pasożytnicze Pojemności między warstwami metalizacji C = ε 0ε diel d diel A + C kraw. εdiel - przenikalność względna dielektryka (niekoniecznie SiO2) A - powierzchnia wspólna dwóch obszarów metalu Ckraw - pojemność krawędziowa, trudna do obliczenia, dla ścieżki nad obszarem o dużej powierzchni (np. podłoże) proporcjonalna do długości ścieżki Pojemność między warstwami metalizacji może być także wykorzystana jako pojemność odsprzęgająca Obszary metalu mogą też być użyte jako ekrany elektrostatyczne

53 Pojemności pasożytnicze Pojemności pasożytnicze związane z kondensatorami metal 2 metal 1 kondensator MIM pojemność pasożytnicza podłoże

54 Pojemności pasożytnicze Pojemności pasożytnicze związane z kondensatorami metal 2 metal 1 kondensator MIM pojemność pasożytnicza podłoże Pojemność pasożytnicza może być porównywalna z pojemnością kondensatora. Jeśli warstw metalu jest wiele, korzystne jest lokowanie kondesatora na warstwach najdalszych od podłoża W niektórych technologiach producenci dostarczają biblioteczne, parametryzowalne struktury kondensatorów MIM

55 Pojemności pasożytnicze

56 Pojemności pasożytnicze Pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS: Ważna jest zwykle pojemność związana z drenem, pojemność źródła mniej istotna lub całkiem bez znaczenia, gdy źródło zwarte z masą -> należy minimalizować powierzchnię drenu

57 Pojemności pasożytnicze Pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS: Ważna jest zwykle pojemność związana z drenem, pojemność źródła mniej istotna lub całkiem bez znaczenia, gdy źródło zwarte z masą -> należy minimalizować powierzchnię drenu Pojemności odsprzęgające: pożyteczne, służą do zmniejszania efektu przenikania zakłóceń przez wspólne zasilanie, ale efektywne tylko dla wielkich częstotliwości VDD A B VSS

58 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS

59 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Należy minimalizować rezystancje zarówno drenów, jak i źródeł

60 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Należy minimalizować rezystancje zarówno drenów, jak i źródeł Dobrze Źle Jeszcze gorzej

61 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje i pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Tranzystor o bardzo dużym stosunku W/L: konstrukcja grzebieniowa dla uniknięcia bardzo długiego paska polikrzemu bramki

62 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje i pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Tranzystor o bardzo dużym stosunku W/L: konstrukcja grzebieniowa dla uniknięcia bardzo długiego paska polikrzemu bramki Dren: mniejsza suma powierzchni złącz Źródło

63 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje i pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS

64 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje i pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Tranzystor o bardzo dużym stosunku W/L z bramkami łączonymi szeregowo: poszczególne kanały włączają się po kolei

65 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane ze ścieżkami

66 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane ze ścieżkami Rezystancje warstwowe ścieżek metalu są rzędu 0.01 Ω/, zależą od materiału (Al, Cu) i grubości ścieżki.

67 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane ze ścieżkami Rezystancje warstwowe ścieżek metalu są rzędu 0.01 Ω/, zależą od materiału (Al, Cu) i grubości ścieżki. Rezystancje kontaktów i via są znaczne, od kilku do kilkudziesięciu Ω. Są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni kontaktów.

68 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane ze ścieżkami Rezystancje warstwowe ścieżek metalu są rzędu 0.01 Ω/, zależą od materiału (Al, Cu) i grubości ścieżki. Rezystancje kontaktów i via są znaczne, od kilku do kilkudziesięciu Ω. Są odwrotnie proporcjonalne do powierzchni kontaktów. Wszędzie, gdzie to możliwe, warto stosować więcej niż jeden kontakt/via. Połączenia ścieżek obciążonych prądem o znacznym natężeniu wykonuje się stosując matryce via: metal 2 metal 1

69 Rezystancje pasożytnicze Rezystancja ścieżek masy i zasilania

70 Rezystancje pasożytnicze Rezystancja ścieżek masy i zasilania Ścieżka o L/W = 100 i rezystancji warstwowej 0.01 Ω/ ma całkowitą rezystancję równą 1 Ω. Prąd o natężeniu 1 A powoduje spadek napięcia równy 1 V, porównywalny z napięciem zasilania układu!

71 Rezystancje pasożytnicze Rezystancja ścieżek masy i zasilania Ścieżka o L/W = 100 i rezystancji warstwowej 0.01 Ω/ ma całkowitą rezystancję równą 1 Ω. Prąd o natężeniu 1 A powoduje spadek napięcia równy 1 V, porównywalny z napięciem zasilania układu! Sprzężenia przez wspólne zasilanie: zmienny w czasie pobór prądu przez blok A wywołuje zmiany w czasie napięcia V, które zasila również blok B. A V B VDD VSS

72 Rezystancje pasożytnicze Rezystancja ścieżek masy i zasilania Ścieżka o L/W = 100 i rezystancji warstwowej 0.01 Ω/ ma całkowitą rezystancję równą 1 Ω. Prąd o natężeniu 1 A powoduje spadek napięcia równy 1 V, porównywalny z napięciem zasilania układu! Sprzężenia przez wspólne zasilanie: zmienny w czasie pobór prądu przez blok A wywołuje zmiany w czasie napięcia V, które zasila również blok B. A V B VDD VSS Należy unikać wspólnych ścieżek masy i zasilania dla wielu bloków. Ścieżki powinny łączyć się dopiero przy polu montażowym; w dużych układach stosuje się wiele wyprowadzeń masy i zasilania

73 Rezystancje pasożytnicze Wpływ rezystancji i pojemności pasożytniczych ścieżek na transmisję sygnałów

74 Rezystancje pasożytnicze Wpływ rezystancji i pojemności pasożytniczych ścieżek na transmisję sygnałów Ścieżkę można w przybliżeniu traktować jako układ RC o stałej czasowej równej: τ 0.38RC, gdzie R i C są pasożytniczą rezystancją i pojemnością ścieżki.

75 Rezystancje pasożytnicze Wpływ rezystancji i pojemności pasożytniczych ścieżek na transmisję sygnałów Ścieżkę można w przybliżeniu traktować jako układ RC o stałej czasowej równej: τ 0.38RC, gdzie R i C są pasożytniczą rezystancją i pojemnością ścieżki. Ta stała czasowa nie zależy od szerokości ścieżki i rośnie z kwadratem jej długości: τ 0.38R S L W C S LW = 0.38R S C S L2 gdzie Rs jest rezystancją warstwową ścieżki, Cs jej pojemnością na jednostkę powierzchni

76 Ekstrakcja: za dużo elementów

77 Ekstrakcja: za dużo elementów Ekstrakcja wszystkiego (tranzystory MOS, wszystkie diody, rezystancje wszystkich warstw przewodzących, wszystkie pojemności) daje w wyniku ogromną liczbę elementów. Przykład:

78 Ekstrakcja: za dużo elementów Ekstrakcja wszystkiego (tranzystory MOS, wszystkie diody, rezystancje wszystkich warstw przewodzących, wszystkie pojemności) daje w wyniku ogromną liczbę elementów. Przykład: Tranzystory NMOS: 6 Tranzystory PMOS: 3 Diody: 29 Pojemności: 69 Rezystancje: 1064

79 Ekstrakcja: za dużo elementów Ekstrakcja wszystkiego (tranzystory MOS, wszystkie diody, rezystancje wszystkich warstw przewodzących, wszystkie pojemności) daje w wyniku ogromną liczbę elementów. Przykład: Tranzystory NMOS: 6 Tranzystory PMOS: 3 Diody: 29 Pojemności: 69 Rezystancje: 1064 Konieczne dokonanie świadomego wyboru klas elementów do ekstrakcji

80 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty

81 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady):

82 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje

83 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności

84 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone

85 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy

86 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy rezystancje, pojemności i indukcyjności

87 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy rezystancje, pojemności i indukcyjności i wiele innych

88 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy rezystancje, pojemności i indukcyjności i wiele innych Wybór sposobu ekstrakcji (przykłady):

89 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy rezystancje, pojemności i indukcyjności i wiele innych Wybór sposobu ekstrakcji (przykłady): rezystory: RC o stałych rozłożonych

90 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): tylko rezystancje tylko pojemności rezystancje i pojemności sprzężone rezystancje i pojemności odsprzężone do masy rezystancje, pojemności i indukcyjności i wiele innych Wybór sposobu ekstrakcji (przykłady): rezystory: RC o stałych rozłożonych rezystory: RC o stałych skupionych

91 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty

92 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady):

93 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe

94 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe

95 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności

96 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów

97 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych

98 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych Redukcja sieci po eliminacji części elementów:

99 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych Redukcja sieci po eliminacji części elementów: łączenie szeregowych rezystancji

100 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych Redukcja sieci po eliminacji części elementów: łączenie szeregowych rezystancji łączenie równoległych rezystancji

101 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych Redukcja sieci po eliminacji części elementów: łączenie szeregowych rezystancji łączenie równoległych rezystancji łączenie szeregowych pojemności

102 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): bardzo małe rezystancje szeregowe bardzo duże rezystancje równoległe bardzo małe pojemności pojemności do pływających węzłów i wiele innych Redukcja sieci po eliminacji części elementów: łączenie szeregowych rezystancji łączenie równoległych rezystancji łączenie szeregowych pojemności łączenie równoległych pojemności

103 Ekstrakcja: wnioski

104 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych

105 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstraktor wie bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu

106 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstraktor wie bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu Ekstraktor nie wykonuje symulacji elementów aktywnych

107 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstraktor wie bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu Ekstraktor nie wykonuje symulacji elementów aktywnych Pojemności i rezystancje są obliczane na podstawie danych geometrycznych, na ogół w sposób uproszczony

108 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstraktor wie bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu Ekstraktor nie wykonuje symulacji elementów aktywnych Pojemności i rezystancje są obliczane na podstawie danych geometrycznych, na ogół w sposób uproszczony Ekstrakcja niektórych klas elementów wymaga znajomości intencji projektanta, pomocą służą markery

109 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstraktor wie bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu Ekstraktor nie wykonuje symulacji elementów aktywnych Pojemności i rezystancje są obliczane na podstawie danych geometrycznych, na ogół w sposób uproszczony Ekstrakcja niektórych klas elementów wymaga znajomości intencji projektanta, pomocą służą markery Ekstrakcja nie jest automatyczna, wymaga rozumienia działania układu i jego elementów, aby wybrać właściwe opcje

110 Rezystancje pasożytnicze Maksymalna dopuszczalna gęstość prądu w ścieżkach Zjawisko elektromigracji ogranicza maksymalną dopuszczalną gęstość prądu w ścieżkach. Nie jest to sprawdzane przez ekstraktory! Przykład dla technologii 90 nm, ścieżki miedziane: Layer I DC (ma) I peak (ma) no. 105 C 125 C 105 C 125 C M1 3*(W-0.02) 0.75*(W-0.02) 15 * I DC 60 * I DC M2 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * I DC 30 * I DC M3 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * I DC 30 * I DC M4 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * I DC 30 * I DC M5 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * I DC 30 * I DC M6 10*(W-0.02) 2.5*(W-0.02) 5 * I DC 20 * I DC M7 10*(W-0.02) 2.5*(W-0.02) 5 * I DC 20 * I DC W - szerokość ścieżki w µm

111 Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże A B VSS

112 Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże A B VSS W stanie ustalonym prąd przez podłoże nie płynie, natomiast gdy zmienia się napięcie na drenie A lewego tranzystora, to przez podłoże przepływa prąd ładowania lub rozładowywania pojemności złącza pn tego drenu. Spadek napięcia na rezystancji podłoża powoduje zmianę napięcia polaryzacji podłoża B prawego tranzystora

113 Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże A B VSS W stanie ustalonym prąd przez podłoże nie płynie, natomiast gdy zmienia się napięcie na drenie A lewego tranzystora, to przez podłoże przepływa prąd ładowania lub rozładowywania pojemności złącza pn tego drenu. Spadek napięcia na rezystancji podłoża powoduje zmianę napięcia polaryzacji podłoża B prawego tranzystora A VSS B VSS Gęste uziemianie podłoża minimalizuje to zjawisko. Stosuje się niekiedy pierścienie ochronne - pierścienie kontaktów wokół źródła zakłócenia i wokół wrażliwej części układu

114 Sprzężenia cieplne Jeżeli w układzie występują znaczące źródła ciepła (elementy, w których wydziela się duża moc), mogą wystąpić sprzężenia elektryczno-cieplne. Zmiany wydzielanej mocy wpływają na zmiany temperatury innych elementów, co zmienia ich parametry. Te sprzężenia będą omawiane w dalszej części wykładu.