Проектирование КМОП интегральных схем с защитой от электростатических разрядов в САПР Tanner Pro Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Проектирование КМОП ИС с защитой от ЭСР

в САПР Tanner Pro

Андрей СТРОГОНОВ, д. т. н.

andreis@hotmail.ru Николай КОЗЬЯКОВ

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.

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 п-МОП-технологии разрушающий потенциал лежит в диапазоне от 10 до 100 В, для ТТЛ ИС это значение составля-

Вывод ИС к защищаемому элементу

і—'

ЭА1

Рис. 1. Базовый принцип защиты ИС от воздействия ЭСР

ет 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.

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 иИ [2].

Для буферных элементов площадь р-МОПТ УТ2 больше площади п-МОПТ УТ1, так как Ш «3 Шп при Ьп . Стоки транзисторов че-

рез элементы Б1 и Б2 соединены с контактной площадкой.

На практике входные и выходные периферийные ячейки объединяют в магистральную

Рис. 2. Защитные диоды входных буферов на КМОП-транзисторах

VDD

И

Рис. 3. а) Построение двунаправленной периферийной ячейки; б) обозначение на логическом уровне

ячейку [2]. Электрическая схема магистральной ячейки показана на рис. 4. В ячейке есть мощные транзисторы УТ1 и УТ2 для поддержки функции «выход», а также диоднорезисторная сборка (УЭ1, УБ2, R), обеспечивающая электростатическую защиту при работе с магистралью (функция «вход»). Таким образом, магистральная ячейка выполняет функцию «вход/выход». S — контактная площадка.

В диодно-резисторной сборке (У01, УБ2, R) диод УБ2 является самостоятельным элементом конструкции, а диод УБ1 составляет единое целое с резистором R. Мощные транзисторы УТ1 и УТ2, реализующие функцию «выход» при работе на магистраль, формируются путем параллельного включения р-МОПТ (УТ1) и п-МОПТ (УТ2), что обеспечивает набор эффективной ширины каналов. Четыре параллельно включенные р-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 р-подложка/ п+-слой, а диод D2 — в слоях п-карман/р+-слой. Под воздействием отрицательного высокого напряжения диод D1 включается в прямом направлении, а при положительном высоком напряжении диод D2 включается в прямом направлении.

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.

Рис. 6. 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-техно-логии кремниевой фабрики TSMC (MOSIS TSMC CMOS025 Process) использованы для защиты контактных площадок КМОП-транзи-сторы. Затвор защитного n-МОПТ соединен с истоком и шиной «земля», а затвор защитного р-МОПТ соединен с истоком и шиной «питание». В этом случае n-МОПТ и р-МОПТ постоянно открыты и обеспечивают минимальные сопротивления. В КМОП-инверто-ре стоки транзисторов n-МОПТ и р-МОПТ соединены вместе, исток n-МОПТ подключают к шине «земля», а исток р-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 PadЮsmallESD с защитой от ЭСР. Контактная площадка PadЮsmallESD представлена как подсхема, состоящая непосред-

ственно из контактной площадки BONDING и схемы защиты 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:

C Inv A Out;

UInv_1 Data Q;

C Inv A Out;

UInv_2 Datai Q1;

CP PadIOnoESD SIGNAL; UPadIOnoESD_1 Datai;

CP PadIOnoESD SIGNAL; UPadIOnoESD_2 Q;

CP PadlOsmallESD SIGNAL; UPadIOsmallESD_1 Data;

CP PadIOsmallESD SIGNAL; UPadIOsmallESD_2 Q1;

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 — X) из библиотеки (L_edit11.1\Samples\Spr\example1\ lightslb.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 проектиро-

Контактная площадка «Питание»

Контактная площадка «Земля»

Data

Datai

Q1

>

Data

PadlOsmallESD

Data

Контактная площадка Вход/Выход с защитой от ЭСР (вход)

Контактная площадка Вход/Выход без защиты от ЭСР (выход)

Г°^>—

PadlOsmallESD

Контактная площадка Вход/Выход без защиты от ЭСР (вход)

Контактная площадка Вход/Выход с защитой от ЭСР (выход)

Рис. 7. Электрическая схема двух инверторов с контактными площадками в SEdit в САПР Tanner PRO для автоматической генерации топологии

|SIGNALf-

iSIGNAL

| SIGNAL^—

BONDING А

PAD t

-^SIGNAL

SIGNAL

SIGNAL

C=0,25 пкф

Рис. 8. Содержимое символа контактной площадки PadIOsmallESD с защитой от ЭСР

Рис. 9. Автоматически сгенерированная топология кристалла ИС с защитой от ЭСР

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.

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 запи-тывания 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 п- ир-МОПТ технологического процесса Mosis/Orbit по 2-мкм проектным нормам. Для описания ди-

вании 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

SPICE OUTPUT=.include «D:/Tanner EDA/T-Spice 11.0/models/ml2_20.md»

«Devices and Process Parameters» •param l=0,35u

SPICE OUTPUT=.model Dpdiff d Data

Print Output plotline=tran v(Data) v(Data1) v(Q) v(Q1)

Transient Simulation

Tmax=10u Tstep=500u

SPICE OUTPUT=.model Dndiff d

I Data'll

Data!)

|Data1^--

Ф èè

-ш

Рис. 10. Электрическая схема для схемотехнического моделирования переходных процессов

ода 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.

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).

.include «D:/Tanner EDA/T-Spice 11.0/models/ml2_20.md»

.param l=0.35u

.print tran v(Data) v(Datal) v(Q) v(Q1)

.tran 500n 10u .model Dpdiff d XInv_1 Data Q Gnd Vdd Inv XInv_2 Data1 Q1 Gnd Vdd Inv .model Dndiff d

XPadIOnoESD_1 Data1 Subs PadlOnoESD XPadIOnoESD_2 Q Subs PadlOnoESD XPadIOsmallESD_1 Data Gnd Subs Vdd PadIOsmallESD XPadIOsmallESD_2 Q1 Gnd Subs Vdd PadIOsmallESD v1 Vdd Gnd 5.0

v2 Data Gnd pulse(0.0 5.0 0 25n 25n 100n 200n) v3 Data1 Gnd pulse(0.0 5.0 50n 25n 25n 100n 200n)

Заключение

Топологические библиотеки, выполненные в рамках масштабируемой КМОП-тех-нологии, 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

.probe

.options probefilename=»D:\Tanner EDA\T-Spice 11.0\examples\2 inv\File3.dat»

+ probesdbfile=»D:\Tanner EDA\T-Spice 11.0\examples\2 inv\File3.sdb»

+ probetopmodule=»Module0»

.SUBCKT Pad_Bond SIGNAL Subs C1 SIGNAL Subs 0.25pF .ENDS

.SUBCKT PadlOsmallESD SIGNAL Gnd Subs Vdd D1 Gnd SIGNAL Dndiff area=1 D2 SIGNAL Vdd Dpdiff area=1 XPad_Bond_1 SIGNAL Subs Pad_Bond .ENDS

.SUBCKT PadIOnoESD SIGNAL Subs XPad_Bond_1 SIGNAL Subs Pad_Bond .ENDS

.SUBCKT Inv A Out Gnd Vdd

M2 Out A Gnd Gnd NMOS W='28*l' L='2*l' AS='148*l*l' AD='144*l*l' PS='68*l' PD='68*l' M=1

M1 Out A Vdd Vdd PMOS W='28*l' L='2*l' AS='148*l*l' AD='144*l*l'

PS='68*l' PD='68*l' M=1

.ENDS