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1、微电子概论,1,第11章 匹配,匹配规则 简单匹配 匹配方法,2,之一：把匹配器件相互靠近放置。 place matched devices close to each other. 之二：使器件保持同一方向。 keep devices in the same orientation. 之三：选择一个中间值作为根部件。 choose a middle value for a root component.,匹配规则,3,之四：采用指状交叉方式。 interdigitate. 之五：用虚设器件包围起来。 surround yourself with dummies. 之六：四方交叉成对器件。 c
2、ross-guad your device pairs.,匹配规则,4,之七：使布线上的寄生参数匹配。 match the parasitics on your wiring. 之八：使每一样东西都对称。 keep everything in symmetry. 之九：使差分布线一致。 make differential logic identical.,匹配规则,5,之 十：使器件宽度一致。 match device widths. 之十一：采用尺寸较大的器件。 go large. 之十二：总是与电路设计者交流。 always communicate with your circuit de
3、signer.,匹配规则,6,之十三：掩模设计者不会心灵感应。 mask designer are not phychic. 之十四：注意临近的器件。 watch the neighbors.,匹配规则,7,生活体验,生活中我们经常会遇到这样的事情：收听CD 播放器的时候,左右耳脉里发出的声音经常不一样,甚至当有人打开窗户的瞬间或者打开室内空调的过程中，随着温度的变化，CD 发出的声音也会随之发生变化，因此我们就不厌其烦地调来调去。 同样的情况也会发生在手机和接受机中。我们希望无论是CD 播放器还是其它音响，它们相搭档的器件反应完全一样。 也就是说，其中一个放大器的频率和幅值能完全符合并跟踪另
4、一个运放的频率和幅值响应，达到这一目标的方法之一就是匹配。,8,regular (rectangular shape) parallel elements Possibly, the current flowing in the same direction.,简单匹配 - matching single transistor,9,大角度离子注入（100nm离子注入工艺） 随着器件特征尺寸的不断缩小，工艺制造进入0.10-0.13m技术代，此时短沟道效应的现象最为突出即：当FET源极和漏极之间的距离变小时MOSFET的阈值电压下降。100nm器件工艺必须用到大角度离子注入工艺，即Halo的注入
5、工艺。主要是防止漏源相通，降低延伸区的结深以及缩短沟道长度，使载流子分布更陡，提高芯片的性能。,简单匹配 - asymmetry due to fabrication,10,an MOS transistor is not a symmetrical device. to avoid channeling of implanted ions the wafer is tilted by about 7 degrees.,简单匹配 - asymmetry due to fabrication,source and drain are not equivalent,11,就CMOS晶体管而言，对其
6、特性影响最大的参数是栅长和栅宽。 在工艺中采用的某些刻蚀方法常常在一个方向上刻蚀得快些。这样发生在一个晶体管宽度上的刻蚀误差将出现在另一个晶体管的长度上。,简单匹配 - asymmetry due to fabrication,20 19.8,2 1.8,2 2.5,20 20.5,12,当集成电路产业刚刚起步的时候，制造工业仍然相对落后。即使你将两个需要匹配的器件放的很近，我们也仍然无法保证它们的一致性。 现在虽然制造工艺越来越精确，但是匹配问题的研究从来就没有停止过，相反地，匹配问题显得日益突出和重要。 匹配分为横向匹配、 纵向匹配和中心匹配。实现匹配有三个要点需要考虑: 需要匹配的器件彼
7、此靠近 注意周围器件 保持匹配器件方向一致 遵守这 3条基本原则，就可以很好的实现匹配。,匹配方法,13,之一：根器件方法 root device method 根部件，在这里指这样一个电阻，可以根据这一个电阻设计出所有其他的电阻。 我们经常在选择根器件的时侯, 用最小的电阻作为根器件，这样的选择当然也可以实现我们需要的匹配，但同时我们却忽略了另外一个问题，那就是像 2 K 这样的电阻如果用 2 5 0 做根器件，那么就需要 8个根器件串联起来实现，这就导致了这 8个电阻之间接触电阻也同时加大了，这是我们不希望看到的。,匹配方法,14,之一：根器件方法 root device method 采
8、用根部件的最好方法是找出一个中间值，例如用 1 K 的电阻作为值将电阻串联和并联起来。这种方法节省了接触电阻的总数使其所占的比例减少, 面积也许会减少，因为电阻之间的间隙数少了，现在占主导地位的是电阻器件本身的薄层电阻，而非接触电阻。 利用根部件时，如果所有的电阻尺寸一样，形状一样，方向一致而且相互靠近，那么就可以得到一个很好的匹配。,匹配方法,15,之一：根器件方法 root device method,匹配方法,250,500,2k,2k,1k,250,500,2k,2k,1k,16,指状交叉器件 interdigitating device 通常在电路中有些大堆部件都必须与一个给定的器件
9、匹配，这个器件称为定义部件。,匹配方法,把定义部件放在中间使所有匹配部件尽可能靠近,17,之二：交叉法interdigitating device,将其指状交叉匹配,两组电阻指状交叉排列,指状交叉部件的布线,18,匹配方法,之二：交叉法 interdigitating device two matched transistors with one node in common: split them in an equal part of fingers interdigitate the 8 elements: AABBAABB or ABBAABBA,19,之二：交叉法 interdigi
10、tating device,匹配方法,1,2,3,AABBAABB pattern,ABBAABBA pattern,20,之二：交叉法 interdigitating device Axis of Symmetries:,匹配方法,21,之二：交叉法 interdigitating device Interdigitation Patterns:,匹配方法,不是所有模式都允许堆叠式（对称）布局,22,之三：虚设器件 dummy device 当这些电阻被刻蚀的时候,位于中间的器件所处的环境肯定与两边的不同，位于两边的器件所受的腐蚀会比中间的器件多一些，这一点点的区别也许会对匹配产生非常不可预
11、知的结果。 为了使上述电阻在加工上面也保持一致,最简单的办法就是在两边分别放置一个 “虚拟电阻”(“dummy resistor ”)，而实际上它们在电路连线上没有与其它任何器件连接,它们只是提供了一些所谓的“靠垫”, 以避免在两端过度刻蚀。这就是虚拟器件，保证所有器件刻蚀一致。,匹配方法,etch,dummy,real resistors,23,之三：虚设器件 dummy device Ending elements have different boundary conditions than the inner elements = use dummy,匹配方法,Here the dum
12、mies are shorted transistors. Remember their parasitic contribution!,24,之三：虚设器件 dummy device 另外一种情况就是当你需要这些器件高度匹配的时候， 也可以在四周都布满虚拟器件，防止在四边的过度腐蚀，以保证每个器件的周围环境都一致。其缺点就是这种方法会占用很大的面积，采用时应多多考虑实际项目的需要。,匹配方法,the real resistors，encased by dummy devices, are protected from over-etching on all four sides.,25,之四
13、：共心 common centroid 把器件围绕一个公共的中心点放置称为共心布置，甚至把器件在一条直线上对称放置也可以看作共心技术。 现有的集成工艺中, 共心技术可以降低热梯度或工艺存在的线性梯度。热梯度是由芯片上面的一个发热点产生的,它会引起其周围的器件的电气特性发生变化。离发热点远的器件要比离发热点近的器件影响要小。共心技术使热的梯度影响在器件之间的分布比较均衡。,匹配方法,placement around a common central point,26,共心模式下的电阻匹配图如 DAC,27,之四：共心 四方交叉 cross quading 四方交叉法是将需要匹配的两个器件一分为二
14、, 交叉放置，尤其适用于两个 MOS器件。 采用四方交叉法可以进一步发挥共心的技术优势。 成对角线放置的两半必须总是形成一个通过中心点的单个器件才是真正的四方交叉，一个或者四个器件不能进行四方交叉。,匹配方法,Cross-quading technique. Split devices in half and place cross-corner to each other. Only works for exactly two devices.,28,匹配方法,完整的四方交叉的版图例子以及它的电路图,连接发射极的导线经过版图的中心。根据电路图的要求所有四个发射极都连在了一起。集电极在版图的上
15、端连接。每对为一个输出，这也是根据电路图的要求画的。而两个基极连接则从版图的左面输出。,29,之四：共心 四方交叉 cross quading,匹配方法,metal and poly interconnections are more complex,30,之四：共心 四方交叉 cross quading,匹配方法,cross coupling,tiling (more sensitive to high-order gradients),31,之四：共心 四方交叉 cross quading 四方交叉里面包含了一种叫做经济型四方交叉, 这一方案可以采用A-B-B-A的共心技术。可以保证导线的
16、寄生参数一致。并且有良好的匹配、节省时间和空间。,匹配方法,32,之四：共心 四方交叉 cross quading 下面再介绍一种四个需要匹配的电阻 (或其它器件) 的设计方法, 也同样是采用共心法原理。,匹配方法,Common-centroid layout of four matched resistors (or elements),33,之四：共心 四方交叉 cross quading Common Centroid Patterns:,匹配方法,34,之五：差分布线一致 Matched interconnections: Specific resistance of metal lines Specific resistance of poly Resistance of metal-contact Resist
