Elementy pasożytnicze i sprzężenia pasożytnicze. Modelowanie i
advertisement
PUAV Wykład 5 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. 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 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Metal1 N implant Poly Active Contact cut Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) NMOS_channel = Active • N implant • Poly Metal1 N implant Poly Active Contact cut 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 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 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) M1_to_N_S/D capacitor = NMOS_S/D • Metal1 • !Contact cut Metal1 N implant NMOS_channel = Active • N implant • Poly (ten kondensator jest zwarty) Poly Active Contact cut NMOS_S/D = Active • N implant NMOS_S/D contact = NMOS_S/D • Metal1 • Contact cut Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Poly Metal1 Jak działa ekstraktor (1) Tworzenie warstw pochodnych (derived layers) Poly_contact = Poly • Metal • Contact cut Poly Metal1 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 Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) Metal1 property: obszar rezystywny, NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm Rs=0.09Ω/☐ 1 Poly property: obszar rezystywny, 2 Rs=10Ω/☐ 4 3 NMOS_S/D property: obszar rezystywny, Rs=9Ω/☐ NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) 1 Metal1 property: obszar rezystywny, NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm Rs=0.09Ω/☐ 1 Poly property: obszar rezystywny, 2 Rs=10Ω/☐ 4 3 NMOS_S/D property: obszar rezystywny, Rs=9Ω/☐ NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω 2 GND M1,120/90 3 Ekstrakcja nominalna (tylko tranzystory MOS, rezystancje -> zwarcia) Jak działa ekstraktor (2) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: tranzystory MOS i rezystancje Warstwy pochodne mają przypisane właściwości (properties) 1 Metal1 property: obszar rezystywny, NMOS_channel property: MOS device, L=90nm, W=120 nm Rs=0.09Ω/☐ 1 Poly property: obszar rezystywny, 2 Rs=10Ω/☐ 4 3 NMOS_S/D property: obszar rezystywny, Rs=9Ω/☐ GND M1,120/90 3 Ekstrakcja nominalna (tylko tranzystory MOS, rezystancje -> zwarcia) R1 = Rmet1+Rcont +RSD R3 = Rpoly NMOS_SD_contact property: rezystancja, R=15Ω 2 1 2 R2 = Rmet1+Rcont +RSD GND M1,120/90 3 Ekstrakcja z elementami pasożytniczymi Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności Jak działa ekstraktor (3) Rozpoznawanie elementów i tworzenie sieci połączeń: pojemności C: pojemność M1 to poly (powierzchnia: obszar wspólny) 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) 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 Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista 1 2 GND M1,120/90 3 Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych M1 1 2 3 GND NCH W=120E-9 L=90E-9... .MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=0.35... Model tranzystora MOS dodany z PDK Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych 1 2 GND M1,120/90 3 M1 1 2 3 GND NCH W=120E-9 L=90E-9... .MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=0.35... Model tranzystora MOS dodany z PDK R1 5 R3 6 1 2 GND M1,120/90 3 7 R2 M1 1 2 3 GND NCH W=120E-9 L=90E-9... R1 1 5 27 Rezystancje obliczone R2 3 7 30 przez ekstraktor R3 2 6 33 .MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=0.35... Jak działa ekstraktor (4) Jak powstaje netlista Z analizy bazy danych geometrycznych warstw pierwotnych i pochodnych 1 2 GND M1,120/90 3 M1 1 2 3 GND NCH W=120E-9 L=90E-9... .MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=0.35... Model tranzystora MOS dodany z PDK R1 5 R3 6 1 2 GND M1,120/90 3 7 R2 M1 1 2 3 GND NCH W=120E-9 L=90E-9... R1 1 5 27 Rezystancje obliczone R2 3 7 30 przez ekstraktor R3 2 6 33 .MODEL NCH NMOS LEVEL=14 VTO=0.35... Ekstraktor oblicza przybliżone parametry elementów pasożytniczych Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych 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 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 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”. Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Przykład ekstrakcji Pojemność lateralna Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Metal2 Pojemności krawędziowe Pojemność kondensatora płaskiego Metal1 Pojemność kondensatora płaskiego Podłoże Ekstrakcja: przypadki szczególne Pojemności w technologiach nanometrowych Przykład ekstrakcji Pojemność lateralna Metal2 Pojemność kondensatora płaskiego Metal2 Pojemności krawędziowe Pojemność kondensatora płaskiego Metal1 Pojemność kondensatora płaskiego Podłoże W technologiach nanometrowych pojemności krawędziowe mogą być porównywalne z pojemnościami “płaskimi” Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych Tranzystor nMOS M2 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy Tranzystor pMOS S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy M1 (Al) D Tlenek polowy M1 (Al) D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n Podłoże typu p Tranzystor npn Struktura npnp Tranzystor pnp Tranzystory pnp podłożowe S Tlenek polowy Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych Tranzystor nMOS M2 (Al) M1 (Al) Tlenek polowy Tranzystor pMOS S Bramka poli typu n Tlenek bramkowy M1 (Al) D Tlenek polowy M1 (Al) D Bramka poli typu n Tlenek bramkowy Wyspa typu n S Tlenek polowy Podłoże typu p 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 Ekstrakcja: przypadki szczególne Ekstrakcja tranzystorów bipolarnych; markery 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”). 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”). 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 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 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 MN1 1 2 3 0 Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 G2 S2 D1 G1 S1 MN2 3 4 5 0 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 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 MN1 1 2 3 0 Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 MN2 3 4 5 0 Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 G2 S2 Dwa tranzystory połączone szeregowo śceżką metalu, diody źródeł i drenów uwzględnione w modelach tranzystorów - OK D1 G1 S1 D2 G2 S2 i D1 G1 S1 Dwa tranzystory połączone szeregowo, ze wspólnym obszarem źródła/drenu: zapis taki jak wyżej spowodowałby przeszacowanie pojemności i prądu wstecznego obszaru wspólnego tranzystorów 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 MN1 1 2 3 0 Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 D2 MN2 3 4 5 0 Nchan W=325E-9 L=65E-9 +PD=1040E-9 AD=6.34E-14 G2 S2 Dwa tranzystory połączone szeregowo śceżką metalu, diody źródeł i drenów uwzględnione w modelach tranzystorów - OK D1 G1 S1 D2 G2 S2 i D1 G1 S1 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 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 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 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: 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 Ekstrakcja: przypadki szczególne “Pływające” węzły elektryczne Nigdzie nie podłączone obszary przewodzące mogą być wyekstrahowane jako pojemności z jednym węzłem o “pływającym” potencjale 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 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 Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Węzeł o “pływającym” potencjale 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 Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: Węzeł o “pływającym” potencjale 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 Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: • Pozostawić te pojemności w netliście Węzeł o “pływającym” potencjale 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 Układy z takimi węzłami nie dają się symulować Co można zrobić: • • Pozostawić te pojemności w netliście Wyekstrahować wraz z ich pojemnościami do podłoża Węzeł o “pływającym” potencjale 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 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 Węzeł o “pływającym” potencjale 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 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) Węzeł o “pływającym” potencjale 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”) Pojemności pasożytnicze Pojemności między warstwami metalizacji ε 0ε diel C= A + Ckraw. ddiel 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 Pojemności pasożytnicze Pojemności pasożytnicze związane z kondensatorami metal 2 metal 1 podłoże kondensator MIM pojemność pasożytnicza 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 Pojemności pasożytnicze 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 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 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Należy minimalizować rezystancje zarówno drenów, jak i źródeł Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane z tranzystorami MOS Należy minimalizować rezystancje zarówno drenów, jak i źródeł Dobrze Źle Jeszcze gorzej 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 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 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje i pojemności pasożytnicze związane z tranzystorami MOS 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 Rezystancje pasożytnicze Rezystancje pasożytnicze związane ze ścieżkami 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 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. 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 Rezystancje pasożytnicze Rezystancja ścieżek masy i zasilania 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! 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. VDD A V B VSS 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. VDD A V B 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 Rezystancje pasożytnicze Wpływ rezystancji i pojemności pasożytniczych ścieżek na transmisję sygnałów 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. 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: L τ ≈ 0.38RS CS LW = 0.38RS CS L2 W gdzie Rs jest rezystancją warstwową ścieżki, Cs jej pojemnością na jednostkę powierzchni Ekstrakcja: za dużo elementów Ekstrakcja: za dużo elementów Ekstrakcja wszystkiego (tranzystory MOS, wszystkie diody, rezystancje wszystkich warstw przewodzących, wszystkie pojemności) daje w wyniku ogromną liczbę elementów. Przykład: 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 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 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): • tylko rezystancje Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): • tylko rezystancje • tylko pojemności Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): • tylko rezystancje • tylko pojemności • rezystancje i pojemności sprzężone Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Wybór rodzaju ekstrakcji (przykłady): • tylko rezystancje • tylko pojemności • rezystancje i pojemności sprzężone • rezystancje i pojemności odsprzężone do masy 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 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 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): 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 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 Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): • bardzo małe rezystancje szeregowe Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): • bardzo małe rezystancje szeregowe • bardzo duże rezystancje równoległe Ekstrakcja: za dużo elementów Redukcja netlisty Eliminacja zbędnych elementów (przykłady): • bardzo małe rezystancje szeregowe • bardzo duże rezystancje równoległe • bardzo małe pojemności 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 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 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: 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 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 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 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 Ekstrakcja: wnioski Ekstrakcja: wnioski • Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych Ekstrakcja: wnioski • Ekstrakcja polega na wykonaniu operacji logicznych i geometrycznych na obiektach dwuwymiarowych • Ekstraktor “wie” bardzo niewiele o rzeczywistej trójwymiarowej strukturze układu 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 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: 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 • Ekstrakcja niektórych klas elementów wymaga znajomości intencji projektanta, pomocą służą markery Pojemności i rezystancje są obliczane na podstawie danych geometrycznych, na ogół w sposób uproszczony 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 • 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 Pojemności i rezystancje są obliczane na podstawie danych geometrycznych, na ogół w sposób uproszczony 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 no. IDC (mA) 105°C Ipeak (mA) 125°C 105°C 125°C M1 3*(W-0.02) 0.75*(W-0.02) 15 * IDC 60 * IDC M2 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * IDC 30 * IDC M3 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * IDC 30 * IDC M4 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * IDC 30 * IDC M5 4*(W-0.02) 1*(W-0.02) 7.5 * IDC 30 * IDC M6 10*(W-0.02) 2.5*(W-0.02) 5 * IDC 20 * IDC M7 10*(W-0.02) 2.5*(W-0.02) 5 * IDC 20 * IDC W - szerokość ścieżki w µm Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże VSS A B Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże VSS A B 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 Pasożytnicze sprzężenia przez podłoże VSS A B 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 VSS B “Gęste” uziemianie podłoża minimalizuje to zjawisko. Stosuje się niekiedy pierścienie ochronne - pierścienie kontaktów wokół źródła zakłócenia i wokół wrażliwej części układu 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.
