Проектирование КМОП интегральных схем с защитой от электростатических разрядов в САПР Tanner Pro

№ 2’2008
PDF версия
Электростатические разряды (ЭСР) — одна из основных причин отказов интегральных схем. Заряды возникают в результате явлений, приводящих к появлению разностей электрических потенциалов между отдельными элементами оборудования, которые соприкасаются с интегральными схемами, между человеком и изделием или между человеком и оборудованием и т. п. Внезапные разряды приводят к протеканию импульсов токов, как правило, очень коротких, но имеющих большую амплитуду и способных полностью или частично повредить интегральные схемы или аппаратуру на них.

Электростатические разряды (ЭСР) — одна из основных причин отказов ИС. Заряды возникают в результате явлений, приводящих к появлению разностей электрических потенциалов между отдельными элементами оборудования, которые соприкасаются с ИС, между человеком и изделием или между человеком и оборудованием и т. п. Внезапные разряды приводят к протеканию импульсов токов, как правило, очень коротких, но имеющих большую амплитуду и способных полностью или частично повредить ИС или аппаратуру на них [1].

Повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности, уменьшение геометрических размеров элементов ИС делают ее еще более чувствительной к воздействию электрических полей, и в особенности ЭСР.

Базовый принцип защиты ИС от воздействия ЭСР показан на рис. 1. При ЭСР срабатывает двуполярный ключ SA1, и ток разряда отводится на шину питания или «земли». Кроме того, часть заряда рассеивается на резисторе R. Идеальная защита достигается, если сопротивление ключа во включенном состоянии и время его включения равны нулю. В ИС в качестве таких шунтов применяются различные элементы: диоды, транзисторы или более сложные схемы.

Базовый принцип защиты ИС от воздействия ЭСР

Важное требование к защитным структурам — не ухудшать параметры защищаемой ИС. Кроме того, они должны иметь небольшую площадь; эффективно ограничивать напряжение разряда, подаваемого на схему; шунтировать напряжение и токи перегрузки, возникающие при ЭСР; иметь максимально быстрое время срабатывания и вносить минимальное время задержки в нормальную работу ИС.

Для ИС по n-МОП-технологии разрушающий потенциал лежит в диапазоне от 10 до 100 В, для ТТЛ ИС это значение составляет от 300 до 7000 В, и для ИС по КМОП технологии — от 150 до 3000 В.

В ИС с МОП-транзисторами (МОПТ) для защиты от пробоя подзатворного диэлектрика входных транзисторов в простейшем случае используют защитные диоды (рис. 2). Для улучшения защитного действия таких схем применяют дополнительные МОПТ, резисторы и диоды.

Защитные диоды входных буферов на КМОП-транзисторах

Буферные ячейки КМОП БИС предназначены для организации электрического и временного взаимодействия ядра БИС с внешней средой. При соблюдении соответствующих правил соединения внутренних и буферных ячеек обеспечивают соответствующие уровни выходных логических сигналов, нагрузочные способности, времена задержек выходных сигналов и длительности их фронтов и т. д. Часто буферные элементы организуются как двунаправленные с целью формирования двунаправленных входов/выходов БИС. Схемотехника типичного двунаправленного буферного элемента представлена на рис. 3. За счет специальных средств управления входами N и P схемы есть возможность независимо от ядра логической схемы устанавливать на внешних выводах произвольные логические состояния — 0, 1 и H [2].

Для буферных элементов площадь p-МОПТ VT2 больше площади n-МОПТ VT1, так как Wp≈3Wn при LnLp. Стоки транзисторов через элементы D1 и D2 соединены с контактной площадкой.

На практике входные и выходные периферийные ячейки объединяют в магистральную ячейку [2]. Электрическая схема магистральной ячейки показана на рис. 4. В ячейке есть мощные транзисторы VT1 и VT2 для поддержки функции «выход», а также диоднорезисторная сборка (VD1, VD2, R), обеспечивающая электростатическую защиту при работе с магистралью (функция «вход»). Таким образом, магистральная ячейка выполняет функцию «вход/выход». S — контактная площадка.

Электрическая схема магистральной ячейки

В диодно-резисторной сборке (VD1, VD2, R) диод VD2 является самостоятельным элементом конструкции, а диод VD1 составляет единое целое с резистором R. Мощные транзисторы VT1 и VT2, реализующие функцию «выход» при работе на магистраль, формируются путем параллельного включения p-МОПТ (VT1) и n-МОПТ (VT2), что обеспечивает набор эффективной ширины каналов. Четыре параллельно включенные p-МОПТ дают ширину около 400 мкм, в то время как типичная ширина канала ядра ячейки может составлять величину 7 мкм.

На рис. 5 показан эскиз топологии контактной площадки (Pads) с защитными диодами. На рис. 5а показано, как осуществляется защита затвора МОПТ от ЭСР. Диод D1 проектируется в топологических слоях p-подложка/n+-слой, а диод D2 — в слоях n-карман/p+-слой. Под воздействием отрицательного высокого напряжения диод D1 включается в прямом направлении, а при положительном высоком напряжении диод D2 включается в прямом направлении.

Эскиз топологии контактной площадки с защитными диодами

Данная схема обладает невысокими защитными свойствами (не более 3 кВ) и неравномерностью протекания тока в рабочем режиме, что существенно снижает ее защитные свойства [1]. Достоинство — малая площадь, занимаемая защитными диодами.

Для повышения стойкости ИС к ЭСР защитные диоды могут быть разделены. Рис. 5в демонстрирует использование двух защитных диодов D1 и двух D2.

Рассмотрим пример проектирования топологии кристалла ИС с защитой от ЭСР с использованием САПР Tanner PRO [3–5]. В состав САПР Tanner PRO входят взаимодействующие между собой модули: SEdit (схемотехнический редактор), T-Spice (текстовый редактор программного кода, плюс счетное ядро программы Spice), Wedit (векторный редактор), Ledit (топологический редактор, он предназначен для синтеза топологии в ручном и автоматическом режимах). В качестве ядра ИС используем два инвертора по масштабируемой КМОП-технологии. Примем следующие условия: информационный вход Data и выход Q1 защищены от воздействия ЭСР, а информационный вход Data1 и выход Q не защищены от ЭСР.

Для построения электрической схемы кристалла ИС воспользуемся схемотехнической библиотекой стандартных ячеек SCMOS, которую можно найти в папке library/scmos.sdb. Библиотека содержит 40 символов (символ раскрывается как подсхема на транзисторном уровне) логических элементов, таких как 2И-НЕ (NAND2), 2ИЛИ-НЕ (NOR2), D-триггеры, тактируемые уровнем синхросигнала (Latch), фронтом синхросигнала (DFF) и др., в том числе символы контактных площадок PadVdd («питание»), PadGnd («земля»), PadIOsmallESD (контактная площадка «вход/выход» с защитой от ЭСР), без защиты от ЭСР (PadIOnoESD). На каждый символ библиотеки SCMOS разработана топологическая ячейка, которую можно увидеть при помощи топологического редактора L-Edit. На рис. 6 показаны послойно топологические слои ячейки PadIOsmallESD в редакторе Ledit.

Топологические слои контактной площадки с защитными диодами в САПР Tanner PRO с использованием топологического редактора Ledit

Для проектирования топологии кристалла ИС в рамках MOSIS Scalable CMOS существуют специально разработанные топологические библиотеки цифровых элементов ввода/вывода с контактными площадками, защищенными от ЭСР для САПР Tanner Pro. MOSIS — это организация, занимающаяся производством ИС на мировых кремниевых фабриках (IBM, AMI, TSMC и др.), спроектированных по единым топологическим слоям (маскам) и по конструктивно-технологическим требованиям различных проектных норм.

Например, в топологической библиотеке Hi-ESD IO PAD Library по 0,25-мкм проектным нормам масштабируемой КМОП-технологии кремниевой фабрики TSMC (MOSIS TSMC CMOS025 Process) использованы для защиты контактных площадок КМОП-транзисторы. Затвор защитного n-МОПТ соединен с истоком и шиной «земля», а затвор защитного p-МОПТ соединен с истоком и шиной «питание». В этом случае n-МОПТ и p-МОПТ постоянно открыты и обеспечивают минимальные сопротивления. В КМОП-инверторе стоки транзисторов n-МОПТ и p-МОПТ соединены вместе, исток n-МОПТ подключают к шине «земля», а исток p-МОПТ — к шине «питание».

На рис. 7 показана электрическая схема двух инверторов с контактными площадками в схемотехническом редакторе SEdit, а на рис. 8 — содержимое символа контактной площадки PadIOsmallESD с защитой от ЭСР. Контактная площадка PadIOsmallESD представлена как подсхема, состоящая непосредственно из контактной площадки BONDING и схемы защиты от ЭСР.

Электрическая схема двух инверторов с контактными площадками в SEdit в САПР Tanner PRO для автоматической генерации топологии
Содержимое символа контактной площадки PadIOsmallESD с защитой от ЭСР

Для автоматического синтеза топологии кристалла ИС из файла, содержащего список соединений (netlist), с помощью топологического редактора Ledit необходимо сделать экспорт графического изображения схемы в файл с расширением *.tpr. Для этого нужно воспользоваться меню File/Export. Приведем содержимое файла в формате tpr:

Схемотехническое моделирование в этом случае проводить не требуется. Запускаем топологический редактор Ledit. Заходим в меню File, создаем новый файл топологии с расширением *.tdb (меню New File, тип Layout), после этого заходим в меню File/Replace Setup и выбираем настройки технологии (2-мкм масштабируемая КМОП-технология MOSIS/Orbit 2U SCNAMEMS, единица измерения — λ) из библиотеки (L_edit11.1SamplesSprexample1lightslb.tdb). Это позволит импортировать ранее созданные топологические слои из выбранного файла в текущий топологический файл (рис. 6). На рис. 6 показаны топологические слои, используемые при проектировании топологии контактной площадки с защитными диодами.

Выбираем меню Tools, затем пункт SPR/Setup (SPR-размещение и канальная трассировка). Указываем путь на библиотеку стандартных ячеек lightslb.tdb и на файл со списком соединений в формате tpr, экспортированный из SEdit. Задаем имена портов питания (Vdd) и «земли» (Gnd) в топологическом файле, которые должны совпадать с именами в графическом файле. Для чтения структуры из файла в формате tpr, нажимаем кнопку Initialize Setup. Кнопки Core Setup, Padframe Setup и Pad Route Setup активизируют дополнительные диалоговые окна для задания параметров размещения и трассировки элементов ядра, генерации рамки с контактными площадками и трассировки области, лежащей между ядром и рамкой с контактными площадками. При использовании готовой библиотеки стандартных ячеек из САПР Tanner PRO дополнительные установки лучше не делать.

Заходим в меню Tools, затем выбираем пункт SPR/Place and Route. Отмечаем галочкой опцию Core place and route (размещение и трассировка элементов ядра), выбираем квадратную форму ядра ИС (Square), включаем оптимизацию трассировки по длине проводников и числу межслойных контактов (или по отдельности). Можно дополнительно включить оптимизацию по размещению элементов, установив фактор оптимизации.

На рис. 9 показана топология кристалла ИС с защитой от ЭСР, полученная с использованием автоматического синтеза топологии из файла со списком соединений в формате tpr. Видна рамка с контактными площадками, защищенными от ЭСР (padframe), и ядро ИС.

Автоматически сгенерированная топология кристалла ИС с защитой от ЭСР

На рис. 10 показана электрическая схема (графический файл с расширением sdb) для схемотехнического моделирования переходных процессов с использованием T-Spice. В этом случае необходимо дополнительно задать источники напряжений. Необходимы два переменных источника напряжения Source_v_pulse_1 и Source_v_pulse_2 и один источник постоянного напряжения для запитывания схемы Source_v_dc_1 из библиотеки Voltage Sources. Также на рис. 10 показано использование дополнительных модулей, представленных в виде символов, созданных пользователем. Для моделирования потребуется с помощью специально разработанного модуля включить ссылку на использование моделей МОП-транзисторов с использованием директивы .include «~/T-Spice 11.0/models/ml2_20.md». При схемотехническом моделировании будут использованы Spice-параметры модели второго уровня (Level 2) для n— и p-МОПТ технологического процесса Mosis/Orbit по 2-мкм проектным нормам. Для описания диода будем использовать стандартную модель, которая вызывается:

  • директивой .model Dpdiff d, для защитного диода, который проектируется в n-кармане;
  • деректирвой .model Dndiff d для защитного диода, который проектируется в p-подложке.
Электрическая схема для схемотехнического моделирования переходных процессов

Необходимо указать параметр масштаба (например, l = 0,35 мкм) геометрических размеров МОПТ. Указывать Spice-параметры моделей можно и в текстовом редакторе кода программы T-Spice.

При автоматической трансляции электрической схемы в файл со списком соединений с расширением *.sp, дополнительные модули, включенные в графический файл, отображаются как директивы (Spice-команды), например: .print или .tran.

Далее приведен файл со списком соединений с расширением *.sp моделируемой схемы. Файл создается автоматически, как только будет запущен модуль T-Spice. После завершения моделирования запускается модуль Wedit Waveform Viewer, для просмотра результатов моделирования (рис. 11).

Результаты схемотехнического моделирования переходных процессов

Заключение

Топологические библиотеки, выполненные в рамках масштабируемой КМОП-технологии, содержат средства встроенной защиты ИС от ЭСР.

Использование библиотеки стандартных элементов при проектировании топологии кристалла ИС позволяет значительно повысить эффективность проектирования и ускорить время выхода на рынок новых изделий.

Работа выполнена по программе гранта 08-08-99033-р_офи.

Литература

  1. Горлов М. И., Строгонов А. В., Адамян А. Г. Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия // ChipNews. 2001. № 1–2.
  2. Проектирование специализированных КМОП БИС на основе БМК 5501ХМ2. Учебное пособие / Под ред. В. В. Ермака. М.: МГИЭТ (ТУ), 1996.
  3. Строгонов А. Проектирование топологии КМОП заказных БИС // Компоненты и технологии. 2007. № 4.
  4. Коноплев Б. Г., Рындин Е. А., Ковалев А. В., Лысенко И. Е. Руководство к лабораторной работе «Проектирование топологии СБИС и микросистем в САПР Tanner Pro». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004.
  5. www.tanner.com/ces
xosotin chelseathông tin chuyển nhượngcâu lạc bộ bóng đá arsenalbóng đá atalantabundesligacầu thủ haalandUEFAevertonxosofutebol ao vivofutemaxmulticanaisonbetbóng đá world cupbóng đá inter milantin juventusbenzemala ligaclb leicester cityMUman citymessi lionelsalahnapolineymarpsgronaldoserie atottenhamvalenciaAS ROMALeverkusenac milanmbappenapolinewcastleaston villaliverpoolfa cupreal madridpremier leagueAjaxbao bong da247EPLbarcelonabournemouthaff cupasean footballbên lề sân cỏbáo bóng đá mớibóng đá cúp thế giớitin bóng đá ViệtUEFAbáo bóng đá việt namHuyền thoại bóng đágiải ngoại hạng anhSeagametap chi bong da the gioitin bong da lutrận đấu hôm nayviệt nam bóng đátin nong bong daBóng đá nữthể thao 7m24h bóng đábóng đá hôm naythe thao ngoai hang anhtin nhanh bóng đáphòng thay đồ bóng đábóng đá phủikèo nhà cái onbetbóng đá lu 2thông tin phòng thay đồthe thao vuaapp đánh lô đềdudoanxosoxổ số giải đặc biệthôm nay xổ sốkèo đẹp hôm nayketquaxosokq xskqxsmnsoi cầu ba miềnsoi cau thong kesxkt hôm naythế giới xổ sốxổ số 24hxo.soxoso3mienxo so ba mienxoso dac bietxosodientoanxổ số dự đoánvé số chiều xổxoso ket quaxosokienthietxoso kq hôm nayxoso ktxổ số megaxổ số mới nhất hôm nayxoso truc tiepxoso ViệtSX3MIENxs dự đoánxs mien bac hom nayxs miên namxsmientrungxsmn thu 7con số may mắn hôm nayKQXS 3 miền Bắc Trung Nam Nhanhdự đoán xổ số 3 miềndò vé sốdu doan xo so hom nayket qua xo xoket qua xo so.vntrúng thưởng xo sokq xoso trực tiếpket qua xskqxs 247số miền nams0x0 mienbacxosobamien hôm naysố đẹp hôm naysố đẹp trực tuyếnnuôi số đẹpxo so hom quaxoso ketquaxstruc tiep hom nayxổ số kiến thiết trực tiếpxổ số kq hôm nayso xo kq trực tuyenkết quả xổ số miền bắc trực tiếpxo so miền namxổ số miền nam trực tiếptrực tiếp xổ số hôm nayket wa xsKQ XOSOxoso onlinexo so truc tiep hom nayxsttso mien bac trong ngàyKQXS3Msố so mien bacdu doan xo so onlinedu doan cau loxổ số kenokqxs vnKQXOSOKQXS hôm naytrực tiếp kết quả xổ số ba miềncap lo dep nhat hom naysoi cầu chuẩn hôm nayso ket qua xo soXem kết quả xổ số nhanh nhấtSX3MIENXSMB chủ nhậtKQXSMNkết quả mở giải trực tuyếnGiờ vàng chốt số OnlineĐánh Đề Con Gìdò số miền namdò vé số hôm nayso mo so debach thủ lô đẹp nhất hôm naycầu đề hôm naykết quả xổ số kiến thiết toàn quốccau dep 88xsmb rong bach kimket qua xs 2023dự đoán xổ số hàng ngàyBạch thủ đề miền BắcSoi Cầu MB thần tàisoi cau vip 247soi cầu tốtsoi cầu miễn phísoi cau mb vipxsmb hom nayxs vietlottxsmn hôm naycầu lô đẹpthống kê lô kép xổ số miền Bắcquay thử xsmnxổ số thần tàiQuay thử XSMTxổ số chiều nayxo so mien nam hom nayweb đánh lô đề trực tuyến uy tínKQXS hôm nayxsmb ngày hôm nayXSMT chủ nhậtxổ số Power 6/55KQXS A trúng roycao thủ chốt sốbảng xổ số đặc biệtsoi cầu 247 vipsoi cầu wap 666Soi cầu miễn phí 888 VIPSoi Cau Chuan MBđộc thủ desố miền bắcthần tài cho sốKết quả xổ số thần tàiXem trực tiếp xổ sốXIN SỐ THẦN TÀI THỔ ĐỊACầu lô số đẹplô đẹp vip 24hsoi cầu miễn phí 888xổ số kiến thiết chiều nayXSMN thứ 7 hàng tuầnKết quả Xổ số Hồ Chí Minhnhà cái xổ số Việt NamXổ Số Đại PhátXổ số mới nhất Hôm Nayso xo mb hom nayxxmb88quay thu mbXo so Minh ChinhXS Minh Ngọc trực tiếp hôm nayXSMN 88XSTDxs than taixổ số UY TIN NHẤTxs vietlott 88SOI CẦU SIÊU CHUẨNSoiCauVietlô đẹp hôm nay vipket qua so xo hom naykqxsmb 30 ngàydự đoán xổ số 3 miềnSoi cầu 3 càng chuẩn xácbạch thủ lônuoi lo chuanbắt lô chuẩn theo ngàykq xo-solô 3 càngnuôi lô đề siêu vipcầu Lô Xiên XSMBđề về bao nhiêuSoi cầu x3xổ số kiến thiết ngày hôm nayquay thử xsmttruc tiep kết quả sxmntrực tiếp miền bắckết quả xổ số chấm vnbảng xs đặc biệt năm 2023soi cau xsmbxổ số hà nội hôm naysxmtxsmt hôm nayxs truc tiep mbketqua xo so onlinekqxs onlinexo số hôm nayXS3MTin xs hôm nayxsmn thu2XSMN hom nayxổ số miền bắc trực tiếp hôm naySO XOxsmbsxmn hôm nay188betlink188 xo sosoi cầu vip 88lô tô việtsoi lô việtXS247xs ba miềnchốt lô đẹp nhất hôm naychốt số xsmbCHƠI LÔ TÔsoi cau mn hom naychốt lô chuẩndu doan sxmtdự đoán xổ số onlinerồng bạch kim chốt 3 càng miễn phí hôm naythống kê lô gan miền bắcdàn đề lôCầu Kèo Đặc Biệtchốt cầu may mắnkết quả xổ số miền bắc hômSoi cầu vàng 777thẻ bài onlinedu doan mn 888soi cầu miền nam vipsoi cầu mt vipdàn de hôm nay7 cao thủ chốt sốsoi cau mien phi 7777 cao thủ chốt số nức tiếng3 càng miền bắcrồng bạch kim 777dàn de bất bạion newsddxsmn188betw88w88789bettf88sin88suvipsunwintf88five8812betsv88vn88Top 10 nhà cái uy tínsky88iwinlucky88nhacaisin88oxbetm88vn88w88789betiwinf8betrio66rio66lucky88oxbetvn88188bet789betMay-88five88one88sin88bk88xbetoxbetMU88188BETSV88RIO66ONBET88188betM88M88SV88Jun-68Jun-88one88iwinv9betw388OXBETw388w388onbetonbetonbetonbet88onbet88onbet88onbet88onbetonbetonbetonbetqh88mu88Nhà cái uy tínpog79vp777vp777vipbetvipbetuk88uk88typhu88typhu88tk88tk88sm66sm66me88me888live8live8livesm66me88win798livesm66me88win79pog79pog79vp777vp777uk88uk88tk88tk88luck8luck8kingbet86kingbet86k188k188hr99hr99123b8xbetvnvipbetsv66zbettaisunwin-vntyphu88vn138vwinvwinvi68ee881xbetrio66zbetvn138i9betvipfi88clubcf68onbet88ee88typhu88onbetonbetkhuyenmai12bet-moblie12betmoblietaimienphi247vi68clupcf68clupvipbeti9betqh88onb123onbefsoi cầunổ hũbắn cáđá gàđá gàgame bàicasinosoi cầuxóc đĩagame bàigiải mã giấc mơbầu cuaslot gamecasinonổ hủdàn đềBắn cácasinodàn đềnổ hũtài xỉuslot gamecasinobắn cáđá gàgame bàithể thaogame bàisoi cầukqsssoi cầucờ tướngbắn cágame bàixóc đĩaAG百家乐AG百家乐AG真人AG真人爱游戏华体会华体会im体育kok体育开云体育开云体育开云体育乐鱼体育乐鱼体育欧宝体育ob体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育亚博体育开云体育开云体育棋牌棋牌沙巴体育买球平台新葡京娱乐开云体育mu88qh88

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *