第10章微電子匹配

微電子概論

1第11章匹配匹配規(guī)則

簡(jiǎn)單匹配

匹配方法2之一：把匹配器件相互靠近放置。

placematcheddevicesclosetoeachother.之二：使器件保持同一方向。

keepdevicesinthesameorientation.之三：選擇一個(gè)中間值作為根部件。

chooseamiddlevalueforarootcomponent.匹配規(guī)則3之四：采用指狀交叉方式。

interdigitate.之五：用虛設(shè)器件包圍起來(lái)。

surroundyourselfwithdummies.之六：四方交叉成對(duì)器件。

cross-guadyourdevicepairs.匹配規(guī)則4之七：使布線上的寄生參數(shù)匹配。

matchtheparasiticsonyourwiring.之八：使每一樣?xùn)|西都對(duì)稱(chēng)。

keepeverythinginsymmetry.之九：使差分布線一致。

makedifferentiallogicidentical.匹配規(guī)則5之十：使器件寬度一致。

matchdevicewidths.之十一：采用尺寸較大的器件。

golarge.之十二：總是與電路設(shè)計(jì)者交流。

alwayscommunicatewithyourcircuitdesigner.匹配規(guī)則6之十三：掩模設(shè)計(jì)者不會(huì)心靈感應(yīng)。

maskdesignerarenotphychic.之十四：注意臨近的器件。

watchtheneighbors.匹配規(guī)則7生活體驗(yàn)生活中我們經(jīng)常會(huì)遇到這樣的事情：收聽(tīng)CD播放器的時(shí)候,左右耳脈里發(fā)出的聲音經(jīng)常不一樣,甚至當(dāng)有人打開(kāi)窗戶的瞬間或者打開(kāi)室內(nèi)空調(diào)的過(guò)程中，隨著溫度的變化，CD發(fā)出的聲音也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此我們就不厭其煩地調(diào)來(lái)調(diào)去。同樣的情況也會(huì)發(fā)生在手機(jī)和接受機(jī)中。我們希望無(wú)論是CD播放器還是其它音響，它們相搭檔的器件反應(yīng)完全一樣。也就是說(shuō)，其中一個(gè)放大器的頻率和幅值能完全符合并跟蹤另一個(gè)運(yùn)放的頻率和幅值響應(yīng)，達(dá)到這一目標(biāo)的方法之一就是匹配。8regular(rectangularshape)parallelelementsPossibly,thecurrentflowinginthesamedirection.簡(jiǎn)單匹配

-matchingsingletransistor9大角度離子注入（100nm離子注入工藝）隨著器件特征尺寸的不斷縮小，工藝制造進(jìn)入0.10-0.13μm技術(shù)代，此時(shí)短溝道效應(yīng)的現(xiàn)象最為突出即：當(dāng)FET源極和漏極之間的距離變小時(shí)MOSFET的閾值電壓下降。

100nm器件工藝必須用到大角度離子注入工藝，即Halo的注入工藝。主要是防止漏源相通，降低延伸區(qū)的結(jié)深以及縮短溝道長(zhǎng)度，使載流子分布更陡，提高芯片的性能。簡(jiǎn)單匹配

-asymmetryduetofabrication10anMOStransistorisnotasymmetricaldevice.toavoidchannelingofimplantedionsthewaferistiltedbyabout7degrees.簡(jiǎn)單匹配

-asymmetryduetofabricationsourceanddrainarenotequivalent11就CMOS晶體管而言，對(duì)其特性影響最大的參數(shù)是柵長(zhǎng)和柵寬。在工藝中采用的某些刻蝕方法常常在一個(gè)方向上刻蝕得快些。這樣發(fā)生在一個(gè)晶體管寬度上的刻蝕誤差將出現(xiàn)在另一個(gè)晶體管的長(zhǎng)度上。簡(jiǎn)單匹配

-asymmetryduetofabrication20X2畫(huà)版圖時(shí)匹配20X219.8X2.5制造時(shí)不匹配20.5X1.82019.821.822.52020.512當(dāng)集成電路產(chǎn)業(yè)剛剛起步的時(shí)候，制造工業(yè)仍然相對(duì)落后。即使你將兩個(gè)需要匹配的器件放的很近，我們也仍然無(wú)法保證它們的一致性。現(xiàn)在雖然制造工藝越來(lái)越精確，但是匹配問(wèn)題的研究從來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)，相反地，匹配問(wèn)題顯得日益突出和重要。匹配分為橫向匹配、縱向匹配和中心匹配。實(shí)現(xiàn)匹配有三個(gè)要點(diǎn)需要考慮:

需要匹配的器件彼此靠近

注意周?chē)骷３制ヅ淦骷较蛞恢?/p>

遵守這3條基本原則，就可以很好的實(shí)現(xiàn)匹配。匹配方法13之一：根器件方法rootdevicemethod根部件，在這里指這樣一個(gè)電阻，可以根據(jù)這一個(gè)電阻設(shè)計(jì)出所有其他的電阻。我們經(jīng)常在選擇根器件的時(shí)侯,用最小的電阻作為根器件，這樣的選擇當(dāng)然也可以實(shí)現(xiàn)我們需要的匹配，但同時(shí)我們卻忽略了另外一個(gè)問(wèn)題，那就是像2KΩ這樣的電阻如果用250Ω做根器件，那么就需要8個(gè)根器件串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致了這8個(gè)電阻之間接觸電阻也同時(shí)加大了，這是我們不希望看到的。匹配方法14之一：根器件方法rootdevicemethod采用根部件的最好方法是找出一個(gè)中間值，例如用1KΩ的電阻作為值將電阻串聯(lián)和并聯(lián)起來(lái)。這種方法節(jié)省了接觸電阻的總數(shù)使其所占的比例減少,面積也許會(huì)減少，因?yàn)殡娮柚g的間隙數(shù)少了，現(xiàn)在占主導(dǎo)地位的是電阻器件本身的薄層電阻，而非接觸電阻。利用根部件時(shí)，如果所有的電阻尺寸一樣，形狀一樣，方向一致而且相互靠近，那么就可以得到一個(gè)很好的匹配。匹配方法15之一：根器件方法rootdevice

method匹配方法2505002k2k1k2505002k2k1k16指狀交叉器件interdigitatingdevice通常在電路中有些大堆部件都必須與一個(gè)給定的器件匹配，這個(gè)器件稱(chēng)為定義部件。匹配方法把定義部件放在中間使所有匹配部件盡可能靠近

17之二：交叉法interdigitatingdevice將其指狀交叉匹配兩組電阻指狀交叉排列指狀交叉部件的布線18匹配方法之二：交叉法interdigitatingdevicetwomatchedtransistorswithonenodeincommon:

★

splittheminanequalpartoffingers

★

interdigitatethe8elements:AABBAABBorABBAABBA19之二：交叉法interdigitatingdevice匹配方法123AABBAABBpatternABBAABBApattern20之二：交叉法interdigitatingdeviceAxisofSymmetries:匹配方法21之二：交叉法interdigitatingdeviceInterdigitationPatterns:匹配方法不是所有模式都允許堆疊式（對(duì)稱(chēng)）布局22之三：虛設(shè)器件dummydevice當(dāng)這些電阻被刻蝕的時(shí)候,位于中間的器件所處的環(huán)境肯定與兩邊的不同，位于兩邊的器件所受的腐蝕會(huì)比中間的器件多一些，這一點(diǎn)點(diǎn)的區(qū)別也許會(huì)對(duì)匹配產(chǎn)生非常不可預(yù)知的結(jié)果。為了使上述電阻在加工上面也保持一致,最簡(jiǎn)單的辦法就是在兩邊分別放置一個(gè)“虛擬電阻”(“dummyresistor”)，而實(shí)際上它們?cè)陔娐愤B線上沒(méi)有與其它任何器件連接,它們只是提供了一些所謂的“靠墊”,以避免在兩端過(guò)度刻蝕。這就是虛擬器件，保證所有器件刻蝕一致。匹配方法etchdummyrealresistors23之三：虛設(shè)器件dummydeviceEndingelementshavedifferentboundaryconditionsthantheinnerelements=>usedummy匹配方法Herethedummiesareshortedtransistors.Remembertheirparasiticcontribution!24之三：虛設(shè)器件dummydevice另外一種情況就是當(dāng)你需要這些器件高度匹配的時(shí)候，也可以在四周都布滿虛擬器件，防止在四邊的過(guò)度腐蝕，以保證每個(gè)器件的周?chē)h(huán)境都一致。其缺點(diǎn)就是這種方法會(huì)占用很大的面積，采用時(shí)應(yīng)多多考慮實(shí)際項(xiàng)目的需要。匹配方法therealresistors，encasedbydummydevices,areprotectedfromover-etchingonallfoursides.25之四：共心

commoncentroid把器件圍繞一個(gè)公共的中心點(diǎn)放置稱(chēng)為共心布置，甚至把器件在一條直線上對(duì)稱(chēng)放置也可以看作共心技術(shù)?，F(xiàn)有的集成工藝中,共心技術(shù)可以降低熱梯度或工藝存在的線性梯度。熱梯度是由芯片上面的一個(gè)發(fā)熱點(diǎn)產(chǎn)生的,它會(huì)引起其周?chē)钠骷碾姎馓匦园l(fā)生變化。離發(fā)熱點(diǎn)遠(yuǎn)的器件要比離發(fā)熱點(diǎn)近的器件影響要小。共心技術(shù)使熱的梯度影響在器件之間的分布比較均衡。匹配方法placementaroundacommoncentralpoint26共心模式下的電阻匹配圖

如DAC27之四：共心–四方交叉crossquading四方交叉法是將需要匹配的兩個(gè)器件一分為二,交叉放置，尤其適用于兩個(gè)MOS器件。采用四方交叉法可以進(jìn)一步發(fā)揮共心的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。成對(duì)角線放置的兩半必須總是形成一個(gè)通過(guò)中心點(diǎn)的單個(gè)器件才是真正的四方交叉，一個(gè)或者四個(gè)器件不能進(jìn)行四方交叉。匹配方法Cross-quadingtechnique.Splitdevicesinhalfandplacecross-cornertoeachother.Onlyworksforexactlytwodevices.28匹配方法完整的四方交叉的版圖例子以及它的電路圖連接發(fā)射極的導(dǎo)線經(jīng)過(guò)版圖的中心。根據(jù)電路圖的要求所有四個(gè)發(fā)射極都連在了一起。集電極在版圖的上端連接。每對(duì)為一個(gè)輸出，這也是根據(jù)電路圖的要求畫(huà)的。而兩個(gè)基極連接則從版圖的左面輸出。29之四：共心–四方交叉crossquading匹配方法metalandpolyinterconnectionsaremorecomplex30之四：共心–四方交叉crossquading匹配方法crosscouplingtiling(moresensitivetohigh-ordergradients)31之四：共心–四方交叉crossquading四方交叉里面包含了一種叫做經(jīng)濟(jì)型四方交叉,這一方案可以采用A-B-B-A的共心技術(shù)?？梢员ＷC導(dǎo)線的寄生參數(shù)一致。并且有良好的匹配、節(jié)省時(shí)間和空間。匹配方法32之四：共心–四方交叉crossquading下面再介紹一種四個(gè)需要匹配的電阻

(或其它器件)的設(shè)計(jì)方法,也同樣是采用共心法原理。匹配方法Common-centroidlayoutoffourmatchedresistors(orelements)33之四：共心–四方交叉crossquadingCommonCentroidPatterns:匹配方法34之五：差分布線一致Matchedinterconnections:SpecificresistanceofmetallinesSpecificresistanceofpolyResistanceofmetal-contactResistanceofviaMinimizetheinterconnectionimpedanceAchievethesameimpedanceindifferentialpathsKeepshortthewidthoffingersforhighspeedapplications匹配方法IRdrop:V=IR35之五：差分布線一致MatchedMetalConnection:匹配方法36之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分邏輯是AIC中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),是一種需要高度匹配的邏輯電路。真正要實(shí)現(xiàn)電路的匹配效果好,不但要保證器件的匹配,也要充分考慮信號(hào)線上面的相互匹配。無(wú)論是信號(hào)線的長(zhǎng)度寬度還是產(chǎn)生的寄生參數(shù)都是我們必須認(rèn)真考量的。匹配方法37之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分對(duì)主要使VGS匹配，而電流鏡主要使ID匹配。在差分邏輯中，具有高度匹配的路徑長(zhǎng)度和連線導(dǎo)線是關(guān)鍵，能合為一條線的連線就要合。匹配方法38匹配方法之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical我們經(jīng)常在設(shè)計(jì)版圖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中的一條需要與另外一條匹配的信號(hào)線被其它的器件或連線擋住了，從而造成兩條線路的長(zhǎng)度不同，因此破壞了匹配的要求。通過(guò)波形分析我們也可以清晰的看到異樣，所以我們要盡可能保證需要匹配的導(dǎo)線長(zhǎng)度也要一致。39之五：差分布線一致

makedifferentiallogicidentical差分結(jié)構(gòu)的電路，比如運(yùn)放的輸入管，畫(huà)圖的時(shí)候不管畫(huà)得多對(duì)稱(chēng)，生產(chǎn)出來(lái)還是會(huì)有一些不匹配的。這種工藝上的不匹配可以通過(guò)電路上的設(shè)計(jì)來(lái)減小或避免。CHOP技術(shù)是一種方法。其思路是通過(guò)交替切換不同位置的MOS管充當(dāng)相同的職能，使得差分管輪換使用相同的管子。這樣，工藝上造成的不匹配，對(duì)于被切換的支路來(lái)說(shuō)都是公平的，能達(dá)到高精度的匹配效果。缺點(diǎn)是引入了切換時(shí)鐘，增加了噪聲來(lái)源，增加了布局復(fù)雜度，增加芯片面積。匹配方法40之六：器件寬度一致

matchdevicewidth.

采用大的器件

golarge!

電阻最小寬度5um，最小長(zhǎng)度10um。

minimumresistorwidthis5microns.minimumresistorlengthis10microns.

匹配方法41之六：采用大的器件

golarge!大多數(shù)情況下我們都會(huì)采用溝道寬度較大的模擬器件,但與此同時(shí)也會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題，那就是寄生參數(shù)也會(huì)隨之變大，通常我們會(huì)盡可能多打一些孔以減少電阻，還有一種方法就是將W/L較大的器件拆分成幾個(gè)器件，再加入兩個(gè)DUMMYPOLY,保證器件在光刻時(shí)的程度一致，如圖所示:匹配方法需要匹配的鏡像電流源的兩器件及其版圖42基本要求：電流成比例關(guān)系的MOS管，應(yīng)使電流方向一致，版圖中晶體管盡量同向。配置dum