Instrukcja do zajęć

Komentarze

Transkrypt

Instrukcja do zajęć
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 S y p r u s
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.
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
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
(wygodnym
WL
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
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
UDD
M1P
M3N
M2P
M3P
IN-
M1N
M2N
OUT
IN+
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
+2,5 V
INOUT
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
VDD
OUT
GND
INmin
INplu
Rys.1. Wzmacniacz - wersja 1
Projekt ten jest zapisany w pliku ãamplifier.puavÒ. Tablica poniýej podaje wymiary.
Tranzystor
M1N
M2N
M3N
M4N
M5N
M6N
M1P
M2P
M3P
W (µm)
2.5
2.5
1.25
2.5
2.0
4.5
1.25
1.25
7.5
L (µm)
1.0
1.0
5.0
3.5
1.0
1.0
1.25
1.25
1.0
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
M1N
M2N
M3N
M4N
M5N
M6N
M1P
M2P
M3P
W (µm)
2.5 X 2
2.5 X 2
2.5
5.0
4.0
8.5
2.5
2.5
22.0
6
L (µm)
2.0
2.0
10.0
7.0
2.0
2.0
2.5
2.5
2.5
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 (Uwy = f(Uw e)), 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—w2 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 . 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.
1 1 . 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
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
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
przemys¸owej takie por—wnanie moýe zadecydowa• o tym, kt—ra wersja b«dzie
ostatecznie wybrana do produkcji.
11

Podobne dokumenty