关于IC版图中的匹配规则

在以前的三篇文章《IC layout中CMOS晶体管匹配基础篇》,《 IC版图设计中电阻的匹配基础篇》,《 IC版图设计中电容的基本匹配规则》中分别提到了晶体管,电阻和电容版图的基本匹配,但为什么要匹配,影响匹配的因素有哪些,不匹配会造成什么影响,这些才是最需要知道的东西。下面分:什么是不匹配,不匹配的影响,为什么要匹配,匹配的好处,影响匹配的因素五方面内容说明一下匹配的重要性。

  1. 什么是不匹配?
    在芯片制造过程中,因为一些不确定性和随机误差以及梯度误差,使得生产出来的IC与实际理论或版图上面的有一定的偏差,这种偏差就是不匹配。
  2. 不匹配的影响
    现如今的加工工艺特征尺寸不断缩小,工艺参数的分布导致器件结构参数和电学参数的分布,直接引起了器件不匹配以为成品率的降低,原电路设计的性能受到极大的影响
  3. 匹配的好处
    现如今analog circuit正由高电压、大电流信号向低电压、小电流和高速度发展,正确且有效的匹配能使版图在经过foundry成为成品IC后,器件还保留着较为精确的宽度长度和准确的数值,IC的设计功能还完整体现。当然这太理想了,有些事不是我们版工所能控制的
  4. 影匹配的因素
    始终觉得工艺中影响匹配的因素质太,在版图中能控制的却很少,而且多数要建立在对工艺的理解上,下面列一些常见的因素质
    a)元件尺寸:小尺寸器件边缘的不规则性会引起器件的偏差,增加尺寸可增加两个匹配元件之间的匹配百分比,但尺寸太大时,会增加某些寄生效应,如寄生电容等。
    b)方向:横向工艺的不同(扩散梯度、温度梯度、掩模对准偏差等)会引起器件的匹配。当元件靠得很近且方向一致时,可减小由于横向工艺误差造成的不匹配。最佳的匹配元件应该形状完全相同、尺寸相同、紧簇且方向一致。
    c)温度:芯片上功率耗散元件的存在会引起元件的不匹配,因为大电阻或大尺寸器件的功率耗散将引起芯片上的温度梯度 例如,大功率器件的结温会比其他器件高出几度,而双极型晶体管的反向饱和电流很大地依赖于温度。因此,在版图设计时要求匹配的器件要和热源等距离,特别是对于电路中的关键元件,如差分放大管。
    d)接触孔位置:有时接触孔的位置会使器件的匹配性变坏,如下图所示,该电阻为马鞍形,当接触孔位置由于工艺偏差而水平移动时,一个电阻的阻值增加,而另一个电阻的阻值减小,造成了两电阻的匹配性变差,在设计中要避免使用这种形式的电阻。
    maan-resistance
    e)金属线:考虑到光的反射与衍射,为减小工艺中间过程的偏差,关键图形四周情况应大致相当,以避免因曝光而影响到关键图形的尺寸。例如,在要求匹配精度较高的晶体管中尽量避免让金属连线穿过有源栅区;引线可以穿过匹配精度要求不高的晶体管,但需要添加陪衬(虚拟)引线,从而使相同长度的引线沿沟道从同样位置穿过匹配器件阵列的每个部分。

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