PUAV Ð projekt Œwiczenie 3

Transkrypt

1 PUAV Ð projekt Œwiczenie 3 Tematyka: technologia CMOS - statystyka proces w produkcyjnych. Cel wiczenia: zapoznanie si«od strony iloæciowej zêrozrzutami producyjnymi i ich wp ywem na parametry uk ad w analogowych. Zapoznanie si«zêoprogramowaniem, kt re b«dzie wykorzystywane w nast«pnych wiczeniach. Przygotowanie do zaj«: oczekiwana jest og lna znajomoæ problematyki rozrzut w produkcyjnych w ukladach CMOS Ð poj«cia rozrzutu globalnego i lokalnego, deterministycznego i losowego, zaleýnoæ mi«dzy wymiarami kana u tranzystora, a rozrzutem napi«cia progowego. Uýywane oprogramowanie: symulator statystyczny SpiceStat zêprogramem pomocniczym runspice, symulator proces w produkcyjnych Syprus zêpostprocesorem StatIC, edytor topografii Uncle, ekstraktor schemat w Excess oraz pakiet zintegrowany AppleWorks. Spos b uýycia program w b«dzie pokazany przez prowadzˆcego zaj«cia. Przebieg zaj«: Cz«æ 1: Symulacja statystyczna procesu produkcji uk ad w CMOS Celem symulacji b«dzie pokazanie, jak zmienia si«rozrzut lokalny napi«cia progowego dla pary identycznych tranzystor w NMOS lub PMOS w funkcji wymiar w kana u. Pos uýy do tego symulator proces w produkcyjnych Syprus. Program Syprus symuluje proces wytwarzania uk adu scalonego CMOS zêzadanymi wartoæciami parametr w proces w (czasy, temperatury, dawki i energie implantacji itp.). Symulacja procesu produkcyjnego polega na okreæleniu na drodze obliczeniowej takich parametr w struktury fizycznej uk adu, jak gruboæci warstw, g «bokoæci zlˆcz p-n, rozk ady domieszek itp. Program Syprus umoýliwia zdefiniowanie od 1 do 9 tranzystor w NMOS i od 1 do 9 tranzystor w PMOS (okreæla si«dla nich wymiary kana u, moýna takýe poda ich po oýenia w uk adzie i orientacje), i po wykonaniu symulacji procesu produkcji oblicza parametry tych tranzystor w, generuje modele do programu Spice, umoýliwia takýe wykreælenie charakterystyk prˆdowo-napi«ciowych. Program Syprus umoýliwia symulacj«dla nominalnych parametr w procesu (bez zaburzeä i rozrzut w) oraz dwa tryby symulacji statystycznej. W pierwszym trybie symulacji statystycznej (Simple Monte Carlo simulation) symulacja jest wielokrotnie powtarzana, przy czym parametry operacji technologicznych (czasy, temperatury itp.) sˆ poddawane statystycznym wahaniom, uwzgl«dniajˆcym rozrzut globalny oraz rozrzuty lokalne: deterministyczne i losowe. W ten spos b wygenerowana jest pseudolosowa pr bka symulowanych tranzystor w. Statystyk«ich parametr w moýna obejrze przy uýyciu pomocniczego programu StatIC. Drugi tryb symulacji statystycznej b«dzie wykorzystany w drugiej cz«æci wiczenia. Jest on om wiony dalej.

2 W pierwszej cz«æci wiczenia naleýy wykona symulacj«statystycznˆ pewnej liczby par jednakowych tranzystor w NMOS lub PMOS o r ýnych wymiarach kana u, tak dobranych, by moýna by o nast«pnie wykona wykres odchylenia standardowego r ýnicy napi«progowych w kaýdej parze tranzystor w w funkcji powierzchni kana u (a æciælej m wiˆc Ð w funkcji 1/(WL) 1/2 ). Zadanie naleýy wykona nast«pujˆco: 1. Uruchomi program Syprus i otworzy nim plik ãecpd10procò (jest to plik, w kt rym opisany jest proces produkcji uk ad w CMOS zêwyspˆ typu n, o minimalnej d ugoæci bramki 1 µm). UWAGA! Ð NICZEGO NIE EDYTUJEMY W PLIKACH PROGRAMU SYPRUS! 2. Zdefiniowa w pliku ãecpd10procò cztery pary tranzystor w NMOS lub PMOS, wed ug wskazaä prowadzˆcego (menu ÒDevicesÓ, poz. ÒNMOS devicesó lub ãpmos devicesò). 3. Okreæli tryb i warunki symulacji w preferencjach (Menu ãsyprusò, poz. ãpreferencesò) Ð odpowiednie opcje powinny by ustawione jak niýej: 2

3 4. Wybra parametry, kt re majˆ by zapisane do pliku wynikowego: napi«cia progowe dla zerowej i r ýnej od zera polaryzacji pod oýa (menu ãprocessò poz. ãselect Output ParamsÒ) Ð patrz niýej: 5. Uruchomi symulacj«(b«dzie trwa do kilku minut) 1 6. W celu obejrzenia wynik w uruchomi pomocniczy program StatIC i otworzy plik wynikowy ÒECPD10Proc.stÓ 7. Obejrze histogramy rozrzutu napi«cia progowego (menu ÒResultsÓ poz. ÒMismatchÓ) Ð patrz przyk ad na nast«pnej stronie. 8. Zanotowa wyniki (odchylenie standardowe w funkcji powierzchni bramki tranzystora) i wykona wykres rozrzutu w funkcji 1 WL (wygodnym narz«dziem do tego jest program AppleWorks, arkusz kalkulacyjny). Wyniki naleýy zamieæci w sprawozdaniu. 1 Uwaga: jeæli w czasie symulacji pojawiˆ si«komunikaty o b «dach, to oznacza, ýe wygenerowane zosta o bardzo duýe zaburzenie procesu, dla kt rego symulacja nie moýe by prawid owo kontynuowana (na przyk ad nie moýna obliczy g «bokoæci z ˆcza p-n, bo go w og le nie ma). Zaburzenia sˆ generowane losowo, wi«c takiej sytuacji nie moýna wykluczy. W takim przypadku naleýy symulacj«przerwa i rozpoczˆ jeszcze raz (nie zamykajˆc programu). Istnieje bardzo duýa szansa, ýe w powt rnej symulacji tak duýe zaburzenie nie powt rzy si«. W rzeczywistej, a nie symulowanej produkcji takie przypadki teý si«zdarzajˆ i powodujˆ odrzucenie ca ej partii produkcyjnej jako nieudanej. 3

4 Cz«æ 2: Symulacja rozrzut w w prostym uk adzie analogowym W tej cz«æci wiczenia wykorzystany b«dzie drugi tryb symulacji Monte Cralo programu Syprus. W drugim trybie symulacji statystycznej (Netlist driven Monte Carlo simulation) program Syprus wsp pracuje zêekstraktorem Excess i specjalnˆ wersjˆ symulatora IMiOSpice o nazwie SpiceStat. W tym trybie moýna wykona symulacj«statystycznˆ produkcji ca ego uk adu. Przebiega ona w nast«pujˆcy spos b. Punktem wyjæcia jest topografia uk adu. Moýna jˆ zaprojektowa w dowolny spos b, na przyk ad edytorem Uncle. Topografia poddawana jest ekstrakcji programem Excess w trybie statystycznym. W tym trybie Excess powtarza proces ekstrakcji schematu wielokrotnie, symulujˆc globalne i lokalne rozrzuty kszta t w i wymiar w w maskach. Wynikiem tego procesu ekstrakcji jest plik (o nazwie z rozszerzeniem Ò.sypÓ), w kt rym znajduje si«nie jeden, lecz wiele wyekstrahowanych opis w uk adu (w formacie zbliýonym do formatu programu Spice). Kaýdy opis odpowiada symulacji produkcji jednego egzemplarza uk adu, a wymiary tranzystor w w tym opisie sˆ losowo zaburzone zaburzeniami globalnymi i lokalnymi. Ten plik jest plikiem wejæciowym dla programu Syprus. Symulator Syprus czyta ten plik i powtarza dla kaýdego tranzystora w kaýdym kolejnym symulowanym uk adzie symulacj«procesu produkcji, a nast«pnie oblicza parametry modelu tego tranzystora i dopisuje je. Dla kaýdego symulowanego uk adu tworzony jest odr«bny plik wejæciowy w formacie programu Spice. Plik w tych jest tyle, ile egzemplarzy uk adu by o poddanych ekstrakcji programem Excess. Do koäcowej symulacji s uýy program pomocniczy runspice, kt ry czyta kolejne pliki i dla kaýdego z nich wywo uje program SpiceStat. Wszystkie wyniki kolejnych symulacji sˆ zbierane w jednym pliku. KoÄcowym rezultatem jest graficzny obraz wynik w symulacji wszystkich egzemplarzy uk adu, co pozwala oceni rozrzuty produkcyjne. Do wiczenia przygotowane zosta y dwie wersje prostego wzmacniacza operacyjnego CMOS, o schemacie jak niýej: 4

5 UDD M1P M2P M3N M3P IN- IN+ M1N M2N OUT M4N M5N M6N GND Sk ada si«on z wejæciowego wzmacniacza r ýnicowego z tranzystorami M1N i M2N, dla kt rego dynamicznym obciˆýeniem sˆ tranzystory M1P i M2P. StopieÄ wejæciowy jest zasilany prˆdem ze r d a prˆdowego, jakie tworzˆ tranzystory M4N i M5N. Tranzystor M3N s uýy jako nieliniowa rezystancja okreælajˆca wartoæ prˆdu p ynˆcego przez tranzystor M5N. StopieÄ wyjæciowy tworzy tranzystor M3P, dla kt rego dynamicznym obciˆýeniem o duýej rezystancji r ýniczkowej jest tranzystor M6N. Tranzystor M6N wraz z M5N tworzˆ r d o prˆdowe okreælajˆce prˆd p ynˆcy w stopniu wyjæciowym. Wymiary tranzystor w zosta y dobrane w taki spos b, ýe przy napi«ciu zasilania 5 V, gdy na oba wejæcia podane jest jednakowe napi«cie r wne 2,5 V, to na wyjæciu panuje takýe napi«cie 2,5 V. Oznacza to, ýe w przypadku zasilania wzmaciacza z dw ch r de +2,5 V i Ð2,5V wzgl«dem umownej ÒmasyÓ i podaniu na oba wejæcia identycznych napi«wzgl«dem umownej ÒmasyÓ na wyjæciu panuje napi«cie r wne zeru Ð patrz niýej. UDD IN- +2,5 V OUT IN+ -2,5 V GND Dla tego uk adu zaprojektowano dwie topografie. Jedna zênich sk ada si«zêtranzystor w o najmniejszych moýliwych wymiarach Ð patrz niýej: 5

6 VDD OUT GND INmin INplu Rys.1. Wzmacniacz - wersja 1 Projekt ten jest zapisany w pliku ãamplifier.puavò. Tablica poniýej podaje wymiary. Tranzystor W (µm) L (µm) M1N M2N M3N M4N M5N M6N M1P M2P M3P Przy projektowaniu drugiej topografii uýyto znacznie wi«kszych tranzystor w, a w stopniu wejæciowym zastosowano topografi«typu ãcommon centroidò. Warto w przypadku obu projekt w zwr ci uwag«na cechy typowe dla projekt w uk ad w analogowych: bardzo æcis e przestrzeganie zasady symetrii dla pary r ýnicowej, dok adne uziemienie pod oýa oraz spolaryzowanie wyspy przez aäcuchy licznych kontakt w (dla zmniejszenia przenikania zak ceä). Druga topografia zapisana jest w pliku ãamplifierbig.puavò.tablica poniýej podaje wymiary. Tranzystor W (µm) L (µm) M1N 2.5 X M2N 2.5 X M3N M4N M5N M6N M1P M2P M3P

7 VDD OUT VSS INPLU INMIN Rys.1. Wzmacniacz - wersja 2 Zadaniem do wykonania jest por wnanie obu wersji topografii pod wzgl«dem statycznej charakterystyki przejæciowej (U wy = f(u we )), pasma przenoszenia oraz rozrzut w produkcyjnych. W tym celu naleýy wykona kolejno nast«pujˆce czynnoæci: 1. Uruchomi edytor topografii Uncle i otworzy plik ãamplifier.puavò. Nie edytowa topografii! 2. Zapisa t«topografi«w formacie CIF Ð otrzymany zostanie plik ãamplifier.puav.cifò. 3. Uruchomi ekstraktor Excess, wczyta plik technologiczny ãecpd10.excò (menu ãfileò, poz. ãopen technologyò), a nast«pnie otworzy plik ãamplifier.puav.cifò (menu ãfileò poz. ãopen layoutò) Ð na ekranie powinna pokaza si«topografia w postaci rysunku masek produkcyjnych. 4. W menu ãecpd10.excò wybra poz. ãnominalò Ð jest to wyb r element w, kt re b«dˆ ekstrahowane, poz. ãnominalò oznacza: tylko tranzystory. 5. W menu ãrunò wybra poz. ãcircuit extractionò Ð wykonana zostanie ekstrakcja schematu. 6. W menu ãfileò wybra poz. ãoutputò Ð spowoduje to zapisanie wynik w ekstrakcji w postaci pliku w formacie Spice. Powstanie plik o nazwie ãamplifier.cirò. 7. Otworzy plik ãamplifier.cirò edytorem tekstu, wyciˆ zêniego modele element w zapisane przez program Excess, zastˆpi ten fragment pliku przez zawartoæ pliku ãamplifierdcò. W tym pliku znajdujˆ si«modele BSIM3 tranzystor w 2 oraz wiersze sterujˆce Spice, kt re spowodujˆ wykonanie symulacji charakterystyki przejæciowej. UWAGA: NALEûY SPRAWDZIŒ ZGODNOåŒ NUMERîW W ZüîW zasilania, wejæcia, wyjæcia zênumerami w«z w w pliku ãamplifierdcò. 2 Program Excess w wersji uýywanej w wiczeniu nie ma moýliwoæci zapisywania do plik w modelu BSIM3, zapiisywany jest model ãlevel2ò. Jest on za ma o dok adny do symulacji wzmacniaczy badanach w wiczeniu. 7

8 8. Uruchomi program IMiOSpice i wczyta plik ãamplifier.cirò. Uzyskanˆ charakterystyk«przejæciowˆ naleýy umieæci w sprawozdaniu. 9. W pliku ãamplifier.cirò zamieni tekst wierszy sterujˆcych dla programu Spice wierszami zawartymi w pliku ãamplifieracò. W tym pliku znajdujˆ si«wiersze, kt re spowodujˆ wykonanie analizy ma osygna owej i pokazanie charakterystyki amplitudowej wzmacniacza w funkcji cz«stotliwoæci. 10. Wykona analiz«programem IMiOSpice, wynik umieæci w sprawozdaniu. 11. Po otrzymaniu tych charakterystyk i zamieszczeniu ich w sprawozdaniu wykona punkty 1 Ð 10 dla wzmacniacza, kt rego topografia znajduje si«w pliku ãamplifierbig.puavò. Wyniki naleýy zamieæci w sprawozdaniu. Skomentowa wyniki: jakie sˆ r ýnice? Skˆd si«biorˆ? Teraz b«dziemy wykonywa charakteryzacj«statystycznˆ. Kolejno naleýy wykona nast«pujˆce czynnoæci: 1. Otworzy ponownie plik ãamplifier.puav.cifò programem Excess. Wybra ekstrakcj«ãnominalò, a zêmenu ãrunò poz. ãstatistical extractionò. Nast«pnie wybra spos b ekstrakcji: liczb«êuk ad w (100 zêjednej p ytki) i ich po oýenia (przypadkowe Ð ãrandomò) Ð patrz niýej: Po zakoäczeniu ekstracji (b«dzie trwa kilka minut) otrzymany b«dzie plik ãamplifier.sypò. 2. Uruchomi ponownie program SYPRUS i otworzy plik ÒECPD10ProcÓ. 3. Ustawi tryb symulacji w preferencjach dla programu SYPRUS, powinny by ustawione jak na rysunku na nast«pnej stronie. 4. Otworzy plik pomocniczy zawierajˆcy linie komend dla programu Spice (b«dˆ one dopisywane automatycznie do kaýdego pliku wejæciowego dla Spice tworzonego przez program Syprus) Ð menu ÒFileÓ poz. ÒOpen SPICE Command FileÓ; przygotowany jest do tego plik Òamplifier.scmÓ, ale TRZEBA 8

9 W NIM WCZEåNIEJ SPRAWDZIŒ, CZY NUMERY W ZüîW ZGADZAJ SI Z NUMERAMI W PLIKU WYTWORZONYM PRZEZ EXCESS!!! 5. Otworzy plik zawierajˆcy wyniki ekstrakcji statystycznej: menu ÒFileÓ poz. ÒOpen EXCESS FileÓ. Naleýy wybra plik Òamplifier.sypÓ. 6. Uruchomi symulacj«(menu ÒProcessÓ poz. ÒSimulateÓ); przed rozpocz«ciem symulacji pojawi si«pytanie, czy w modelu BSIM3 naleýy uýy LEVEL=8, naleýy potwierdzi. 7. Teraz czekamy na zakoäczenie symulacji, trwa ona do kilku minut; pliki wyjæciowe b«dˆ mia y kolejne numery Òamplifier001.cirÓ, Òamplifier002.cirÓ itd. Po zakoäczeniu wykonamy ostatni etap symulacji przy uýyciu program w runspice i SpiceStat. Naleýy post«powa nast«pujˆco: 1. Uruchomi program runspice i wybra pliki do symulacji programem SpiceStat (menu ÒFileÓ poz. ÒOpenÓ); naleýy spoær d 100 plik w wytworzonych przez program Syprus wybra plik o najniýszym numerze (tzn. Òamplifier001.cirÓ) 9

10 2. Przed rozpocz«ciem symulacji pojawi si«okno dialogowe wyboru wartoæci minimalnych i maksymalnych na osiach wykresu, kt ry b«dzie utworzony; naleýy wybra wartoæci jak niýej: 3. Teraz czekamy na zakoäczenie symulacji Ð program SpiceStat wczytuje i symuluje kolejno po 10 plik w aý do ich wyczerpania. UWAGA: dla przyspieszenia tej symulacji wskazane jest zamkni«cie na czas jej trwania wszystkich innych program w. 4. Po zakoäczeniu symulacji otrzymamy wyniki w postaci pliku graficznego w formacie GIF, w tym samym katalogu, w kt rym znajdowa y si«pliki do Spice (Òamplifier.gifÓ). Plik wynikowy naleýy obejrze dowolnym programem (Preview, AppleWorks), i zamieæci w sprawozdaniu. Przyk ad pliku wynikowego (dla innej wersji wzmacniacza, niý te analizowane w wiczeniu) pokazany jest poniýej. Z otrzymanego zbioru charakterystyk moýna oceni granice wartoæci wejæciowego napi«cia niezr wnowaýenia wzmacniacza. Nast«pnie naleýy w ten sam spos b wykona charakteryzacj«wzmacniacza w wersji ÒamplifierBigÓ, wykonujˆc dla niego te same czynnoæci. W sprawozdaniu naleýy podsumowa otrzymane wyniki. Naleýy r wnieý okreæli powierzchnie, jakie zajmujˆ obie wersje topografii. B«dzie w wczas moýna oceni, jaki jest stosunek kosztu wzmacniacza o mniejszym rozrzucie charakterystyk do kosztu wzmacniacza o wi«kszym rozrzucie. W praktyce 10

11 przemys owej takie por wnanie moýe zadecydowa o tym, kt ra wersja b«dzie ostatecznie wybrana do produkcji. 11