Tecniche di Layout
Lucidi del Corso di Microelettronica
Modulo 2
Università di Cagliari
Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica
Laboratorio di Elettronica (EOLAB)
Layout
Il Layout è una rappresentazione
simbolica che fornisce una indicazione
della sequenza di maschere da utilizzare
nella realizzazione dell’integrato.
Metal1
Ogni maschera è associata ad un
colore (simbolico) che rappresenta un
particolare strato di materiale (layer)
Poly
Metal2
Nplus
Per ottenere la realizzazione di un
determinato dispositivo e necessario
utilizzare un determinato insieme di layer
(quindi
maschere)
opportunamente
disposti
Pplus
Contact
L’insieme dei layer disponibili è detto
palette
N Well
Palette
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Dispositivi
I dispositivi a disposizione di un progettista analogico in un
processo CMOS sono 4 ai quali si aggiunge 1 dispositivo
parassita
MOS
RESISTORI
CAPACITORI
DIODI
BJT (parassiti)
Per ognuno di questi dispositivi vedremo i layout caratteristici
e le relative regole di buon progetto.
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Tecniche di Layout: MOS
Contatto
Un MOS è generato da
qualunque intersezione fra poly
e zona attiva (Nplus o Pplus)
Lm
Il poly separa source da drain
I 3 terminali (S,D,G) hanno
bisogno di un contatto per
essere interconnessi con altri
dispositivi
W e L sono determinate dalle
dimensioni delle maschere
Wm
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Dimensioni Efficaci
In un processo reale i dispositivi realizzati differiscono
sempre da quelli progettati
E’ perciò necessario tener conto del fatto che le
dimensioni effettive (efficaci) dei MOS sono diverse da
quelle disegnate tramite le maschere
Se Wm e Lm sono le dimensioni date alle maschere, le
dimensioni effettive del MOS saranno:
W = Wm - ∆W
L = Lm - ∆L
Tipicamente i fattori correttivi sono delle costanti e non
scalano con le dimensioni quindi il loro impatto è
maggiore sui MOS piccoli che su quelli grandi
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Dimensioni Efficaci
Una delle cause del problema è
l’overetching: l’ossido viene in parte
consumato al di sotto del gate
rendendolo effettivamente più corto di
quanto disegnato
La presenza dei fieldimplants
causa
il
restringimento del canale
e
la
conseguente
diminuzione della W
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Tecniche di Layout: MOS
RC = 2.5 Ω
DRAIN
Ogni contatto introduce una
resistenza finita che si dispone
in serie fra il source (drain)
vero e proprio ed il terminale
del MOS.
Alle diffusioni di source e
drain è associata una capacità
parassita
proporzionale
all’area ed al perimetro della
diffusione stessa:
C
C = CJ A + CJSW P
(Dove per il perimetro non si conta il
lato contiguo al gate)
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Tecniche di Layout: PMOS
Contatto di body
Il PMOS è
realizzato
all’interno della
Well
Per contattare
la well si utilizza
un
contatto
ohmico (nplus)
Metal
N Well
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Tecniche di Layout: MOS
Per realizzare un MOS molto largo si
disporranno contatti su tutta la
larghezza del dispositivo in modo da
minimizzare la resistenza di source
(drain) mettendo tutte le resistenze dei
singoli contatti in parallelo.
Questo ha come effetto collaterale
un leggero aumento della capacità
parassita associata a source e drain.
Nel caso in cui la capacità introdotta
sia più critica rispetto alla resistenza si
opterà per la soluzione con un solo
contatto (maggiore resistenza) ma
un’area complessiva minore (minore
capacità)
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Tecniche di Layout: MOS
S
Per realizzare transistor molto larghi in poco
spazio si usano strutture a serpentina.
Per ridurre al minimo la resistenza di drain e
source è necessario aumentare il numero di
contatti.
S
G
D
Per chiarezza si sono disegnati
in giallo i contatti appartenenti
al source ed in bianco quelli
appartenenti al drain anche se
ovviamente tutti i contatti sono
uguali nel layout.
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G
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D
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Tecniche di Layout: MOS
Anche per un transistor molto lungo si usano strutture a
serpentina.
In pratica il transistor si ottiene come serie di N transistor
più corti. La lunghezza finale sarà NL.
Per passare da
un lato della
serpentina
all’altro si usa il
metal1
N
L
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Tecniche di Layout: Resistori
In tecnologia CMOS esistono vari
generi di resistori. Si può realizzare un
resistore utilizzando uno speciale layer
chiamato
HiPo
(High
resistive
polysilicon), oppure utilizzando le
normali diffusioni (una diffusione n o p
hanno entrambe una resistenza finita).
Quando i valori di resistenza devono
essere alti (quindi strutture lunghe) si
usano forme a serpentina.
Le
curve
introducono
delle
incertezze nel valore esatto di
resistenza e si possono sostituire
connessioni a bassa resistenza
(connessioni con metal).
R=R0*L
Con L lunghezza totale del
dispositivo (di larghezza
unitaria)
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Tecniche di Layout: Resistori
Per isolare il resistore dal rumore del
substrato si mette sotto una diffusione n+ (la
well tipicamente) contattata a massa.
La resistenza è proporzionale al numero di
quadrati (squares):
R = R N
La resistività del HiPo è molto alta (R =
1kΩ)
La resistività della diffusione pplus è molto
bassa (R = 70Ω)
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Tecniche di Layout: Capacitori
I capacitori, in genere,
sono ottenuti da sandwich
di poly1 e poly2 (due layer
di
polisilicio
posti
a
distanza di qualche decina
di nanometri con SiO2 nel
mezzo).
Il valore del capacitore
dipende dall’area e anche
dal perimetro.
C = CA*A + CP*P
Dove A e P sono area e
perimetro del capacitore
Sezione
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Tecniche di Layout: Diodi
Si possono ottenere diodi sfruttando le giunzione np realizzabili
Diodo di Well (sezione)
Diodo di Well (layout)
NWell
n-Si
Contatto
ohmico (n+)
p-Si
Il diodo realizzato per mezzo della well è dato dalla
giunzione n-p fra well stessa e substrato p (a profondità
maggiore)
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Tecniche di Layout: Diodi
Diodo di diffusione
(layout)
Diodo di diffusione (sezione)
n+
p-Si
Il diodo realizzato per mezzo della diffusione è dato dalla
giunzione n-p fra diffusione e substrato p (a profondità
minore)
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Tecniche di Layout: BJT
Si possono ottenere BJT sfruttando dispositivi parassiti
BJT Laterale
E
C
Sezione
N well
p+
G
p+
p+
n-Si
p-Si
B
Non sono indicati i contatti. Il terminale G è a VDD (quindi il
MOS che gli corrisponde è spento). Il BJT ha come
emettitore e collettore le due diffusioni p separate dal poly e
come base la nwell (BJT pnp).
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Tecniche di Layout: BJT
BJT Verticale
Sezione
NWell
E
n-Si
B
p+
p-Si
C
Non sono indicati i contatti. Il BJT ha come emettitore la
diffusione p+, come base la nwell e come collettore il
substrato (BJT pnp). Entrambi questi BJT (laterale e
verticale) sono di scarsa qualità (basso guadagno di corrente)
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Design Rules
Nel realizzare il layout di un circuito integrato bisogna
rispettare le Design Rules (Regole di Progetto), ossia le
regole che determinano il modo corretto per il disegno delle
varie maschere
Alcune di queste regole riguardano:
Distanze minime fra rettangoli dello stesso layer
Dimensioni minime di rettangoli di determinati layer
Distanze minime fra rettangoli di layer diversi
Minima sovrapposizione di layer differenti
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Design Rules
In teoria le Design Rules andrebbero espresse in
funzione di un parametro fisso del processo, ossia λ
(pari alla metà della minima lunghezza di gate
realizzabile, quindi 0.25um nel caso di un processo
0.5um)
Le lambda-rules hanno il pregio di non variare allo
scalare del processo (tutte le regole vengono
moltiplicate per un fattore costante)
In realtà molte fonderie esprimono le Design Rules
direttamente in micron perché non è possibile
mantenere veramente costanti, allo scalare delle
dimensioni minime del processo, le varie regole
riguardanti tutti i layer
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Design Rules
Maschera disegnata
Xm
λ
Le
Design
Rules
nascono
dall’esigenza di garantire che il
dispositivo
realizzato
funzioni
correttamente nonostante gli errori
inevitabili nel processo di litografia.
λ
Nelle lambda-rules il parametro λ
rappresenta il massimo errore
commesso nella realizzazione della
maschera:
Xm = Xm ± λ
Maschera
realizzata (errore
massimo)
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Esempio di Design Rules
2λ
λ
2λ
2λ
2λ
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λ
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La minima lunghezza di
gate è 2λ altrimenti, con
un errore di λ da
entrambi i lati in direzioni
opposte
il
gate
scomparirebbe
La minima distanza fra
contatto e poly è 2λ
altrimenti, con un errore
di λ in direzioni opposte
delle due maschere il
source
ed
il
gate
sarebbero cortocircuitati
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Esempio di Design Rules
Errori dovuti al mancato rispetto delle design rules:
Il gate ed il source
sono
cortocircuitati
perché
il
contatto
tocca il poly
Un contatto sparisce perché
il
disallineamento
delle
maschere è superiore alla sua
dimensione
Drain e source sono
cortocircuitati perché il
poly è troppo corto
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Esempi di Design Rules
Esempi di Design Rules (lambda-rules)
Metal1, minima larghezza:
Metal1, minima distanza:
Metal1, minimo overlap con contatto:
3λ
3λ
1λ
Esempio di Design Rules in un processo
commerciale (Tecnologia AMI 0.35um)
Metal1, minima larghezza:
Metal1, minima distanza:
Metal1, minimo overlap con contatto:
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0.5 um
0.6 um
0.15 um
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Tecniche di Layout Analogico
Realizzare il layout di un circuito analogico implica delle specifiche leggermente
differenti da quelle richieste per un layout digitale.
Nel caso digitale gli obiettivi sono due:
Minimizzazione dell’area (massima integrazione)
Minimizzazione
delle capacità parassite (massima frequenza
funzionamento)
Questi due obiettivi sono ovviamente perseguiti anche nella realizzazione del
layout di un circuito analogico ma se ne aggiunge uno molto importante che è
spesso in contraddizione con gli altri due:
Massimizzazione della precisione
Infatti, nel caso digitale, la precisione con cui vengono realizzati i parametri dei
transistor non è fondamentale: il principio stesso di elaborazione digitale
sopperisce alle eventuali imperfezioni dei dispositivi (il concetto di soglia logica,
la rigenerazione del segnale attraverso le porte logiche).
Viceversa un circuito analogico è fortemente influenzati dai parametri di
processo (spessore dell’ossido, tensione di soglia, mobilità dei portatori) e
geometrici (W e L dei MOS) e quindi dalle loro fluttuazioni statistiche.
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Dispositivi: Precisione
Un parametro fondamentale per giudicare un dispositivo realizzato è la
precisione.
Esistono due misure della precisione: le precisione assoluta e quella relativa.
In microelettronica si hanno precisioni assolute molto basse (con errori
dell’ordine del 30%) mentre si riesce ad avere precisioni relative molto maggiori
(errori relativi dell’ordine del 1% o addirittura 0.1%). Per questo motivo si cerca
sempre di evitare di far dipendere il funzionamento di un circuito da parametri
assoluti (il valore esatto di una resistenza o di una capacità) ma piuttosto da
valori relativi (il rapporto fra due resistori o capacitori, il rapporto fra gli aspect
ratio di due MOS).
Esempio: si vogliono realizzare due resistori di valore R1=R2=10kΩ.
Dopo la realizzazione si verifica che i valori effettivi di resistenza sono
R1eff=12.47kΩ e R2eff=12.34kΩ.
L’errore nel valore assoluto di questi resistori è elevato (E1=24.7%, E2=23.4%)
ma l’errore nel loro rapporto è molto minore (R1/R2=1 ma R1eff/ R2eff=1.0105 con
errore Er=1%).
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Fluttuazioni Statistiche
Le ragioni di questi elevati errori nei parametri dei dispositivi risiedono nelle
fluttuazioni statistiche dei parametri di processo (spessore ossido, tensione
di soglia, mobilità portatori) e nei parametri geometrici (differenza fra misure
nel layout e misure effettive dei dispositivi).
C’è un’elevata diversità fra i parametri di due dispositivi realizzati sullo
stesso wafer di silicio ma in posizioni differenti, su wafer differenti ma nello
stesso run, o addirittura in run differenti.
Quello che è invece possibile controllare è che due dispositivi realizzati nella
stessa zona del wafer, simili fra loro e disegnati con opportune tecniche di
layout abbiano i parametri di processo uguali fra loro (matching).
Esempio: Fluttuazione
statistica dello spessore
dell’ossido (che influenza la
Vth e la Cox di un MOS)
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Fluttuazioni Statistiche
Le fluttuazioni statistiche (scorrelate) di un qualsiasi parametro di processo
possono dipendere dall’area del dispositivo, dal suo perimetro o da entrambi; a
seconda del tipo di fenomeno che porta all’imprecisione.
In generale, la varianza di un parametro diminuisce all’aumentare dell’area del
dispositivo ed all’aumentare del suo perimetro. Questo perché più il dispositivo
è grande più si mediano gli effetti indesiderati.
Questo significa che, in analogico, la dimensione minima è indesiderata: lo
scaling dei processi ha utilità solo per i circuiti digitali. Raramente in analogico
si useranno dispositivi con dimensioni inferiori al micron.
In generale, qualsiasi parametro di un dispositivo, ha una
variazione inversamente proporzionale alla sua dimensione:
σ=
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σ
0
A
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Tecniche di Layout: Matching
Si è detto che pur essendo difficile riuscire ad avere buone precisione
sui valori assoluti dei parametri dei dispositivi (ad esempio R del
resistore, C della capacità, W/L del MOS) è possibile avere buone
precisione sui rapporti di tali quantità (R1/R2, C1/C2, (W/L)1/(W/L)2).
Questo è vero se si rispettano una serie di regole di layout che sono
in parte empiriche (o meglio ragionevoli) e in parte nascono da
considerazioni legate al processo CMOS.
La più importante regola riguardante il matching dice che due
dispositivi che devono essere matched (simili) e stare in un rapporto
K devono essere realizzati a partire da uno stesso dispositivo
elementare di riferimento (multipli di quell’elemento).
Ad esempio, due MOS i cui W/L devono avere un rapporto pari a K
saranno realizzati mettendo N MOS elementari in parallelo per il
primo e M in parallelo per il secondo in modo che K=N/M
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Matching: Stessa Forma e Dimensione
C1= Cref
Per fare in modo di avere sempre
dispositivi con la stessa forma e
dimensioni
userò
dispositivi
di
riferimento e li metterò in serie o in
parallelo.
Esempio: due capacitori in rapporto
2:1 vengono realizzati con 3 capacitori
identici, due dei quali sono connessi in
parallelo.
C2 = 2 Cref
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Due transistor con (W/L)1=2(W/L)2
vengono realizzati mettendo due
transistor identici in parallelo per
realizzare M1 oppure due in serie per
realizzare M2
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Matching: Stessa Forma e Dimensione
Dispositivi “matched” devono, possibilmente, avere la
stessa forma (i perimetri influenzano i valori dei parametri)
e la stessa dimensione (non minima).
SI!
NO!
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Anche se nel secondo caso i
due MOS hanno lo stesso W/L
hanno forma diversa e gli errori
sulle
maschere
avranno
influenza diversa nei due
dispositivi diminuendo il loro
matching.
Stesso discorso vale
capacitori e resistori.
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per
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Matching: Stessa Forma e Dimensione
Due MOS con lo stesso W/L ma con diverse W e L infatti
sono meno simili di due MOS con stessa W e L per via
delle dimensioni efficaci.
Infatti:
(W/L)eff1 = (W1-∆W) / (L1- ∆L)
(W/L)eff2 = (W2-∆W )/ (L2-∆L) ≠ (W/L)eff1
Questo perché ∆W e ∆L sono uguali in entrambi i casi,
cambiando però W1, W2, L1 e L2
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Matching: Minima Distanza
Per ridurre le fluttuazioni statistiche fra un dispositivo e
l’altro, oggetti che devono essere “matched” devono
essere molto vicini sul die, in modo che localmente i
parametri di processo siano gli stessi.
NO!
SI!
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Ovviamente nel secondo caso
sarà più complicato fare il
routing (devo distribuire le
uscite di ogni MOS anzi che il
solo gate).
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Matching: Strutture Common Centroid
Common Centroid
Metà di D1 Metà di D2
Metà di D2 Metà di D1
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Per
massimizzare
il
matching
si
cerca
il
massimo
grado
di
simmetria possibile. Questo
compensa le situazioni in
cui un certo parametro ha
dei gradienti costanti in una
particolare direzione.
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Matching: Strutture Interdigitate
Per massimizzare il matching si ricorre a strutture
interdigitate in cui i due dispositivi (M1 e M2) da matchare
sono realizzati come multipli di uno stesso dispositivo messi
in parallelo. I vari pezzi che compongono M1 e M2 vengono
però mescolati fra di loro realizzando strutture a pettine
(interdigitate) in modo da mediare fra tutti i fenomeni
D1 D2 D1 D2 D1 D2
M1 = 3 Mref
M2 = 3 Mref
S1 S2 S1 S2 S1 S2
Gli S1, gli S2, i D1 e i D2 sono poi connessi fra loro per
mezzo di piste di metal (non mostrate in figura)
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Matching: Strutture Interdigitate
M1
M1
M2
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M1
M2
M1
M2
M1
M2
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M1
M2
M2
Massimo Barbaro
Due MOS
interdigitati
ciascuno
con
molteplicità
8
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Matching: Stessa Orientazione
Per evitare problemi legati a passi di processo NON
isotropici, stress del silicio dovuto al packaging si fa in
modo che la corrente nei MOS che devono essere
“matched” scorra nello stesso verso.
NO!
SI!
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Matching: Stesso Surrounding
Due dispositivi “matched” devono avere la stessa
situazione al contorno. Si fa quindi usato di dispositivi
“dummy” (fantoccio) che ricreano lo stesso contorno di un
per i dispositivi periferici.
I dispositivi dummy
non si dovrebbero
dummy D1 D2 D3 D4 dummy
lasciare
scollegati
(floating)
ma
connettere ad una
tensione di riferimento
(tipicamente
la
dummy S1 S2 S3 S4 dummy
massa).
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Matching: Stessa Temperatura
La temperatura influenza fortemente i parametri di un dispositivo. Se
nel chip ci sono fonti di calore (circuiti che dissipano molta potenza e
quindi scaldano) due dispositivi che devono essere simili (matched)
devono essere alla stessa distanza.
Linee
isoterme
Dispositivi
matched
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Sorgente di
calore
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