Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji

Technologia BiCMOS Statystyka procesów produkcji 1

Technologia BiCMOS 2

Technologia CMOS i BiCMOS Tranzystor nmos Tranzystor pmos M2 (Cu) M3 (Cu) M1 (Cu) S Poli typu n D M1 (Cu) D Poli typu p S M1 (Cu) CMOS STI STI Wyspa typu p Wyspa typu n Warstwa epitaksjalna typu n- STI Podłoże typu p Tranzystor nmos Tranzystor pmos Tranzystor npn M2 (Cu) M3 (Cu) M1 (Cu) S Poli typu n M1 (Cu) D D Poli typu p S M1 (Cu) C B p E n SiGe p BiCMOS SiGe DTI Wyspa typu p Warstwa epi typu n- Wyspa typu n Warstwa zagrzebana n+ DTI Podłoże typu p- DTI DTI DTI 3

Technologia CMOS i BiCMOS Technologia CMOS Technologia BiCMOS Podłoże typu p, warstwa epitaksjalna typu n (b. słabo domieszkowana), dwa rodzaje wysp Obszary aktywne ogranicza rowek wypełniony SiO (STI) Dwa typy polikrzemu lub bramka metalowa Metalizacja Cu Planaryzacja (CMP), do kilkunastu warstw metalu 2 Podłoże typu p, warstwa epitaksjalna typu n (b. słabo domieszkowana), dwa rodzaje wysp, warstwa zagrzebana n+ Dwie głębokości rowków (STI, DTI) Warstwa epi SiGe, kilka warstw polikrzemu (bramki MOS, kontakt bazy, poli-emiter) Metalizacja Cu Planaryzacja (CMP), do kilkunastu warstw metalu 4

Technologia BiCMOS Budowa tranzystora bipolarnego Kontakt bazy: polikrzem typu p C B p E n SiGe p Emiter: polikrzem typu n Baza: warstwa epi SiGe:C typu p Kontakt kolektora: wyspa n+ Kolektor: warstwa epi typu n Warstwa zagrzebana n+ Podłoże typu p- 5

Po co SiGe BiCMOS? obrazek z roku 2005, dziś BiCMOS SiGe sięga ponad 100 GHz 6

Po co SiGe BiCMOS? f = 1 T 2π C eb + C cb g m 1 + τ b + τ e + τ c f max = f T 8πC cb r bb ' 7

Po co SiGe BiCMOS? Heterozłącze polisi(n)-sige(p): znaczne zwiększenie sprawności wstrzykiwania -> wyższy współczynnik wzmocnienia Gradient koncentracji Ge i B w bazie: pole elektryczne przyspieszające, znaczne skrócenie czasu przelotu przez bazę - > wyższa wartość f, oraz lepsza sprawność transportu -> wyższy współczynnik wzmocnienia Można zachować dostatecznie wysoki współczynnik wzmocnienia znacznie silniej domieszkując bazę -> wyższa wartość f T max, a także mniejsze szumy 8

Statystyka procesów produkcyjnych 9

Rozrzut globalny: jednakowo zmienia parametry jednakowych elementów układu osiąga duże wartości Rozrzut lokalny: zmienia parametry każdego elementu niezależnie od innych, wprowadza różnice między parametrami jednakowych elementów jest zwykle niewielki 10

Rozrzut: globalny, lokalny deterministyczny i lokalny losowy p = p nom + p g + p d p ( x, y) + p l R p l p d p g R p nom r 11

Rozrzut lokalny: deterministyczny czy losowy? Przy zależności radialnej: Parametry identyczne Umiarkowany rozrzut Duży rozrzut Rozrzut deterministyczny często nie jest odróżniany od losowego, bo przy pomiarach losowe jest położenie badanych elementów 12

Przypomnienie: charakterystyka tranzystora MOS w nasyceniu I D = µc ox W L ( U GS U ) 2 T 2 Napięcie progowe zależy od napięcia polaryzacji podłoża U T = U T 0 + γ ( 2φ F U BS 2φ ) F 13

Rozrzuty parametrów tranzystorów MOS Rozrzut lokalny wynikający z rozrzutu koncentracji domieszek w obszarze kanału (może mieć składową deterministyczną i losową) Wartość średnia różnicy napięć progowych pary jednakowych tranzystorów MOS maleje z pierwiastkiem z powierzchni kanału tranzystora (tzw. prawo Pelgroma) Niezerowe napięcie polaryzacji podłoża zwiększa rozrzut 14

Rozrzuty parametrów tranzystorów MOS Rozrzut lokalny wynikający z niedokładności fotolitografii (może mieć składową deterministyczną i losową) Zakładając identyczne napięcia progowe mamy ΔI D I D = Δβ β ; β = µc ox W L Rozrzuty ruchliwości i poj. bramki mają drugorzędne znaczenie ΔI D I D = ΔW W gdy L = const; ΔI D I D = ΔL L gdyw = const; 15

Rozrzuty parametrów tranzystorów MOS Rozrzut lokalny wynikający z niedokładności fotolitografii (może mieć składową deterministyczną i losową) Jeżeli rozrzutowi podlegają napięcia progowe, a W i L są stałe, to ΔI D I D = 2ΔU T U GS U T zatem rozrzuty ΔW, ΔL mają taki sam skutek, jak rozrzuty napięcia progowego równe ΔU T ΔU T = U GS U T 2 ΔW W ; ΔU = U U GS T T 2 ΔL L 16

Rozrzuty parametrów tranzystorów MOS Rozrzut lokalny wynikający z różnicy temperatur (deterministyczny) Napięcie progowe maleje z temperaturą typowo o 1... 3 mv/k Zatem jeden stopień różnicy temperatur jest równoważny różnicy napięć progowych o 1... 3 mv W ogólności nie jest prawdą, że temperatura wszystkich elementów układu jest taka sama! 17

Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS Im większe tranzystory (zarówno powierzchnia kanału, jak i każdy wymiar z osobna), tym mniejsze rozrzuty Identyczna topografia Identyczne otoczenie Identyczny kierunek przepływu prądu Identyczna temperatura Polaryzacja podłoża równa zeru Zdala od krawędzi wyspy Zdala od pól montażowych 18

Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS Topografia common centroid, czyli dwie pary tranzystorów połączone równolegle na krzyż Suma prądów dwóch tranzystorów, z których każdy ma napięcie progowe różne od nominalnego o ΔU T U T I D1 + I D2 µc ox W L { U GS U T + 0.5( ΔU T 1 + ΔU ) T 2 } 2 2 19

Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS Topografia common centroid, czyli dwie pary tranzystorów połączone równolegle na krzyż U T 1 = U T 3 ;U T 2 = U T 4 U T 1 U T 2 U T 3 U T 4 ΔU T 1 + ΔU T 4 = ΔU T 2 + ΔU T 3 Sumy prądów równe U T 1 U T 2 U T 3 U T 4 U T 1 = U T 2 ;U T 3 = U T 4 ΔU T 1 + ΔU T 4 = ΔU T 2 + ΔU T 3 Sumy prądów równe Skuteczna redukcja skutków rozrzutów deterministycznych 20

Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS Topografia common centroid, czyli dwie pary tranzystorów połączone równolegle na krzyż U T 1 U T 2 U T 3 U T 4 U T 1 U T 2 U T 3 U T 4 Gdy rozrzuty są czysto losowe, rozkład prawdopodobieństwa wartości napięcia progowego taki sam dla wszystkich czterech tranzystorów. Nie ma znaczenia, czy są łączone na krzyż, czy równolegle. Nie ma redukcji skutków rozrzutów losowych 21

Rozrzuty parametrów tranzystorów bipolarnych Przypomnienie: prąd kolektora tranzystora bipolarnego w zakresie polaryzacji normalnej I C = J ES0 A E exp qu BE kt skąd łatwo otrzymać, że rozrzut powierzchni emitera jest równoważny zmianie napięcia baza-emiter o ΔU BE ΔA E ΔU BE = kt q ΔA E A E Ogólnie w przypadku tranzystorów bipolarnych znacznie łatwiej uzyskać mały rozrzut lokalny, niż w przypadku tranzystorów MOS 22

Rozrzuty parametrów elementów biernych Rezystory: zależności podobne jak dla tranzystorów MOS, podobnie jak reguły minimalizacji rozrzutów lokalnych. Rozrzut globalny może sięgać 40% - 50%, rozrzut lokalny może być poniżej 1%. Niektóre rodzaje rezystorów są nieliniowe (wykazują znaczną zależność rezystancji od napięcia) 23

Rozrzuty parametrów elementów biernych Kondensatory: powierzchnię określa wymagana pojemność, nie ma możliwości powiększania wymiarów dla zmniejszenia rozrzutów. Zasady minimalizacji rozrzutów lokalnych: Taka sama powierzchnia, obwód i kształt Łączenie równoległe identycznych kondensatorów dla uzyskania stosunku pojemności wyrażonego liczbą całkowitą Niektórzy producenci zalecają ścinanie naroży: Sposób regulacji powierzchni przy zapewnieniu stałego obwodu: 24

Symulacja rozrzutów produkcyjnych Analiza dla skrajnych wartości parametrów ( process corners ) maxu T U Tp minu T U Tn minu T maxu T Polega na wykonaniu symulacji elektrycznej ( SPICE ) układu dla nominalnych wartości podstawowych parametrów elementów i dla wszystkich kombinacji wartości skrajnych w procesie Taka analiza daje wyniki nadmiernie pesymistyczne 25

Symulacja rozrzutów produkcyjnych Analiza statystyczna metodą Monte Carlo Polega na wielokrotnej symulacji elektrycznej układu, przy czym w każdej kolejnej symulacji parametry elementów są losowo zaburzane przy użyciu generatorów liczb losowych, których parametry (wartość średnia, wariancja) są określone tak, by odwzorowywały obserwowane w procesie produkcyjnym rozkłady prawdopodobieństwa. Zwykle producenci dostarczają dwa rodzaje danych statystycznych: dla rozrzutów globalnych i lokalnych. Wada: brak korelacji między różnymi parametrami tego samego elementu i między tymi samymi parametrami różnych elementów Wyniki należy traktować jako orientacyjne 26

Gdy rozrzuty zbyt duże... Kalibracja analogowa - przykład 2 1-1 + 1 2 = 1 - kalibracja = 1 - próbkowanie sygnału wejściowego 27

Gdy rozrzuty zbyt duże... Kalibracja cyfrowa ( digitally assisted analog ) - idea Pamięć A/D 2-1 + 1 2 = 1 - kalibracja = 1 - próbkowanie sygnału wejściowego 28