DTI

Technologia BiCMOS
Statystyka procesów produkcji
1
Technologia BiCMOS
2
Technologia CMOS i BiCMOS
Tranzystor nMOS Tranzystor pMOS
M3 (Cu)
M2 (Cu)
M1 (Cu)
M1 (Cu)
S
Poli typu n
D
M1 (Cu)
D
Wyspa typu p
STI
CMOS STI
Poli typu p S
Wyspa typu n
Warstwa epitaksjalna typu n-
STI
Podłoże typu p
Tranzystor nMOS Tranzystor pMOS
Tranzystor npn
M3 (Cu)
M2 (Cu)
M1 (Cu)
S
M1 (Cu)
Poli typu n
D
Wyspa typu p
Warstwa epi typu n-
DTI
M1 (Cu)
D
Poli typu p S
C
B
p
E
n
SiGe p
BiCMOS SiGe DTI
Wyspa typu n
Podłoże typu p-
Warstwa zagrzebana n+
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 2 (STI)
Podłoże typu p, warstwa epitaksjalna
typu n (b. słabo domieszkowana),
dwa rodzaje wysp, warstwa
zagrzebana n+
•
Dwie głębokości rowków (STI, DTI)
•
Dwa typy polikrzemu lub bramka
metalowa
•
Warstwa epi SiGe, kilka warstw
polikrzemu (bramki MOS, kontakt
bazy, poli-emiter)
•
Metalizacja Cu
•
Metalizacja Cu
•
Planaryzacja (CMP), do kilkunastu
warstw metalu
•
Planaryzacja (CMP), do kilkunastu
warstw metalu
4
Technologia BiCMOS
Budowa tranzystora bipolarnego
Kontakt bazy: polikrzem typu p
C
B
E
p
n
SiGe p
Kontakt kolektora: wyspa n+
Emiter: polikrzem typu n
Baza: warstwa epi SiGe:C typu p
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?
⎡
⎤
⎥
1 ⎢
1
fT =
⎢
⎥
2π ⎢ Ceb + Ccb + τ + τ + τ ⎥
b
e
c
⎢⎣ gm
⎥⎦
fmax
fT
=
8π Ccb rbb'
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 fT , oraz lepsza sprawność transportu ->
wyższy współczynnik wzmocnienia
Można zachować dostatecznie wysoki współczynnik
wzmocnienia znacznie silniej domieszkując bazę ->
wyższa wartość fmax , a także mniejsze szumy
8
Statystyka procesów produkcyjnych
9
Rozrzuty produkcyjne
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
Rozrzuty produkcyjne
Rozrzut: globalny, lokalny deterministyczny i lokalny losowy
p = pnom + ∂ pg + ∂ pd ( x, y ) + ∂ pl
p
∂ pl
∂ pd
R
∂ pg
pnom
r
R
11
Rozrzuty produkcyjne
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
Rozrzuty produkcyjne
Przypomnienie: charakterystyka tranzystora MOS w nasyceniu
W (U GS − UT )
I D = µCox
L
2
2
Napięcie progowe zależy od napięcia polaryzacji podłoża
UT = UT 0 + γ
(
2φF − U BS −
2φF
)
13
Rozrzuty produkcyjne
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 produkcyjne
Rozrzuty parametrów tranzystorów MOS
Rozrzut lokalny wynikający z niedokładności fotolitografii (może
mieć składową deterministyczną i losową)
Zakładając identyczne napięcia progowe mamy
ΔI D Δβ
W
=
; β = µCox
ID
β
L
Rozrzuty ruchliwości i poj. bramki mają drugorzędne znaczenie
ΔI D ΔW
=
gdy L = const;
ID
W
ΔI D
ΔL
=−
gdyW = const;
ID
L
15
Rozrzuty produkcyjne
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
2ΔUT
=
I D U GS − UT
zatem rozrzuty ΔW, ΔL mają taki sam skutek, jak rozrzuty napięcia
progowego ΔUT równe
U GS − UT ΔW
ΔUT =
;
2
W
U GS − UT ΔL
ΔUT =
2
L
16
Rozrzuty produkcyjne
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
Rozrzuty produkcyjne
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
Rozrzuty produkcyjne
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 ΔUT  UT
I D1 + I D 2
W {U GS − ⎡⎣UT + 0.5 ( ΔUT 1 + ΔUT 2 ) ⎤⎦
≈ µCox
L
2
}
2
19
Rozrzuty produkcyjne
Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS
Topografia “common centroid”, czyli dwie pary tranzystorów
połączone równolegle na krzyż
UT 1
UT 2
UT 1 = UT 3 ; UT 2 = UT 4
ΔUT 1 + ΔUT 4 = ΔUT 2 + ΔUT 3
UT 3
UT 4
UT 1
UT 2
Sumy prądów równe
UT 3
UT 4
UT 1 = UT 2 ; UT 3 = UT 4
ΔUT 1 + ΔUT 4 = ΔUT 2 + ΔUT 3
Sumy prądów równe
Skuteczna redukcja skutków rozrzutów deterministycznych
20
Rozrzuty produkcyjne
Minimalizacja rozrzutów parametrów par tranzystorów MOS
Topografia “common centroid”, czyli dwie pary tranzystorów
połączone równolegle na krzyż
UT 1
UT 2
UT 3
UT 4
UT 1
UT 2
UT 3
UT 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 produkcyjne
Rozrzuty parametrów tranzystorów bipolarnych
Przypomnienie: prąd kolektora tranzystora bipolarnego w
zakresie polaryzacji normalnej
⎛ qU BE ⎞
I C = J ES 0 AE exp ⎜
⎟
⎝ kT ⎠
skąd łatwo otrzymać, że rozrzut powierzchni emitera ΔAE
jest równoważny zmianie napięcia baza-emiter o ΔU BE
ΔU BE
kT ΔAE
=
q AE
Ogólnie w przypadku tranzystorów bipolarnych znacznie łatwiej
uzyskać mały rozrzut lokalny, niż w przypadku tranzystorów MOS
22
Rozrzuty produkcyjne
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 produkcyjne
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”)
maxUT
UTp
minUT
UTn
minUT
maxUT
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
1
2
1
+
1
= “1” - kalibracja
2 = “1”
- próbkowanie sygnału wejściowego
27
Gdy rozrzuty zbyt duże...
Kalibracja cyfrowa (“digitally assisted analog”) - idea
Pamięć
A/D
2
1
+
1
= “1” - kalibracja
2 = “1”
- próbkowanie sygnału wejściowego
28