Влияние изменений процесса на производство ADC и согласованность производительности

Аналоговые-цифровые преобразователи (ADC) являются фундаментальными строительными блоками в современных электронных системах, преодолевая разрыв между непрерывным аналоговым миром и дискретной цифровой областью. От беспроводной связи и медицинской визуализации до автомобильных датчиков и промышленного приборостроения производительность ADC напрямую диктует точность системы, разрешение и энергоэффективность. Однако изготовление высокопроизводительных ADCs далеко не тривиально. Многоступенчатый процесс производства полупроводников вводит ряд физических и химических отклонений, коллективно известных как вариации процесса. Эти крошечные, но систематические или случайные колебания допинговых концентраций, толщины слоев, критических размеров и оксидных свойств могут серьезно ухудшить ключевые показатели ADC, такие как интегральная нелинейность (INL), отношение сигнал-шум (SNR) и ложно-свободный динамический диапазон (SFDR). Понимание источников этих изменений, их специфическое влияние на различные архитектуры ADC и доступные стратегии смягчения имеет важное значение для инженеров, которые стремятся обеспечить последовательные, высокопроизводительные и надежные преобразователи в объемном производстве.

Понимание вариаций процессов в производстве ADC

Изменения в процессе относятся к неизбежным различиям в параметрах устройства, которые происходят от матрицы к матрице, от пластины к пластине и от многого к множеству во время производства полупроводников. Даже в пределах одного матрицы локальные изменения могут вызывать несоответствующие транзисторы, конденсаторы и резисторы, которые особенно проблематичны для конструкций ADC, которые полагаются на точное соответствие. Эти изменения происходят из нескольких стадий в потоке изготовления, включая ионную имплантацию, литографию, травление, химико-механическую планаризацию (CMP) и осаждение тонкопленочной пленки.

Источники вариаций процессов

Первичные источники изменений процесса можно классифицировать по глобальным (межсмертным) и локальным (внутрисмертным) категориям. Глобальные изменения равномерно влияют на все устройства на чипе, такие как общие сдвиги толщины оксида или дрейфы уровня допинга через пластину. Местные изменения, с другой стороны, вводят случайные несоответствия между соседними устройствами, которые являются доминирующей проблемой для ADC высокого разрешения.

Эти источники взаимодействуют сложным образом, и их относительная важность зависит от конкретной топологии ADC, узла изготовления и пределов конструкции. Например, 12-битный последовательный регистр приближения (SAR) ADC может быть более чувствительным к несоответствию конденсатора, чем флеш-преобразователь, который ограничен смещением компаратора.

Влияние на производительность ADC

Изменения процесса проявляются в виде статических и динамических ошибок в основных компонентах ADC. Понимание этих эффектов требует изучения того, как изменения изменяют поведение компараторов, конденсаторов, источников тока и ссылок на напряжение. Последствия пульсируют через статические и динамические характеристики преобразователя, в конечном итоге ограничивая достижимое эффективное количество бит (ENOB).

Влияние на смещение компаратора и несоответствие

В АЦП с флеш- и сворачиванием компараторы являются основой квантователя. Локальное пороговое несоответствие напряжения в паре входных дифференциалов вводит смещение, на которое ссылаются, которое варьируется от компаратора к компаратору. Без калибровки это смещение уменьшает линейный диапазон кривой передачи и увеличивает INL и DNL. В 6-битном флеш-преобразователе, работающем при 5 ГС/с, даже несоответствие 5 мВ может ухудшить SNDR на несколько дБ. Для трубопровода с высоким разрешением и АЦП сигма-дельта компараторы могут вызывать недостающие коды и уменьшать эффективное разрешение, если не будет исправлено цифровой калибровкой.

Несоответствие емкостей в ADC с коммутируемым конденсатором

SAR ADC и трубопроводные ADC полагаются на массивы бинарно-взвешенных конденсаторов для выполнения перераспределения заряда, реализующего алгоритм последовательного приближения. Точность соответствия этих конденсаторов непосредственно определяет линейность преобразователя. Несоответствие в блок-конденсаторах из-за шероховатости кромки, вариаций диэлектрической толщины или бокового травления создает ошибки веса, которые приводят к пикам INL и DNL. Для 16-битного SAR ADC соответствие конденсатора должно быть лучше 0,0015%, что чрезвычайно сложно достичь без калибровки или специальных методов компоновки, таких как размещение общего центроида и фиктивных ячеек.

Ссылочные вариации напряжения

Многие архитектуры АЦП используют внутреннее или внешнее опорное напряжение для квантователя. Изменения в опорных схемах с разрезом, резисторных лестницах или емкостных делителях вызывают сдвиг полномасштабного диапазона. Этот сдвиг проявляется как ошибка усиления и может также влиять на смещение, если ссылка используется в дифференциальной конфигурации. Изменения коэффициента температуры из-за распространения процесса еще больше ухудшают производительность АЦП в диапазоне рабочих температур.

Влияние на шум и динамический диапазон

Изменения процесса могут увеличить шумовое дно несколькими способами. Например, повышенный случайный телеграфный шум (RTN) в масштабированных МОП повышает угол мерцания шума, ухудшая SNR на низких частотах. Дополнительно несоответствия в петле обратной связи модулятора сигма-дельта могут снизить эффективность формирования шума в полосе. В модуляторах сигма-дельта непрерывного времени постоянные изменения RC за счет резисторов и конденсаторов сдвигают полюса и нули фильтра петли, потенциально вызывая нестабильность или увеличивая шум квантования. Результатом является уменьшение динамического диапазона, которое непосредственно ограничивает разрешение ADC для заданной полосы пропускания сигнала.

Убыток и изменчивость производства

Поскольку АЦП являются схемами со смешанными сигналами, они более восприимчивы к параметрической потере выходного сигнала, чем чисто цифровые конструкции. Небольшой сдвиг в одном параметре, например, смещении компаратора, превышающем допустимый диапазон, может привести к тому, что весь штамп выйдет из строя теста ATE (автоматического испытательного оборудования). В продвинутых узлах ниже 28 нм изменчивость устройств FinFET вводит дополнительные эффекты случайных колебаний допанта, что делает еще более трудным поддержание постоянной производительности на углах процессов. Модели удельного веса для АЦП часто показывают, что первичные механизмы отказа связаны с нарушениями INL и DNL, а не с катастрофическими дефектами.

Стратегии смягчения для вариаций процесса

Учитывая неизбежность изменений в процессах, разработчики ADC и инженеры-изготовители используют многогранный подход для смягчения их воздействия. Эти стратегии охватывают жизненный цикл разработки от ранних вариантов проектирования до пост-кремниевой калибровки и мониторинга процессов.

Дизайн для производства (DfM) и надежные топологии

Первая линия защиты заключается в выборе архитектур ADC, которые по своей сути терпимы к изменениям. Например, модуляторы сигма-дельта могут выдерживать более высокие смещения компараторов, поскольку они полагаются на избыточную выборку и формование шума, а не на точные уровни квантования. Трубопроводные ADC могут включать избыточные биты и цифровую коррекцию ошибок для компенсации несоответствий компараторов. В SAR ADCs архитектура сплит-конденсатора в сочетании со схемой монотонного переключения уменьшает эффект колебаний напряжения общего режима. Методы слоя, такие как размещение общего центроида, фиктивные структуры и иерархическое сопоставление, минимизируют систематические несоответствия. Использование устройств большой площади (более длинные длины канала) уменьшает случайное несоответствие за счет скорости и площади, компромисс, который должен быть тщательно сбалансирован для целевых спецификаций.

Калибровка и обрезка

Калибровка после изготовления является одним из наиболее эффективных способов коррекции детерминированных и случайных вариаций. Калибровка может выполняться на уровне пластин во время испытания или в полевых условиях с использованием встроенных схем самотестирования (BIST).

Усовершенствованный контроль процессов и мониторинг

Производственные установки реализуют передовые системы управления технологическими процессами (APC), которые запускают диаграммы статистического управления технологическими процессами (SPC) по критическим параметрам, таким как толщина оксида затвора, сопротивление листа и ширина линии фоторезиста. Мониторинг в реальном времени и управляемые контроллеры настраивают параметры оборудования, чтобы держать процесс центрированным. Кроме того, на каждом сушке помещаются тестовые структуры, такие как кольцевые осцилляторы, MOSFET-совпадающие массивы и строки делителя напряжения, чтобы извлечь информацию об углу процесса и подавать ее в алгоритм калибровки ADC. Это позволяет преобразователю адаптировать свои настройки смещения или обрезки на основе фактического перекоса процесса.

Статистический дизайн и моделирование углов

На этапе проектирования инженеры используют моделирование Монте-Карло для прогнозирования распределения ключевых показателей производительности при вариациях процессов. Путем моделирования тысяч статистически различных экземпляров они могут выявлять слабые места в конструкции и корректировать размеры транзисторов или смещения схем для повышения надежности. Угловое моделирование - где все устройства настроены на быстрые, медленные или перекосные углы - помогает гарантировать, что ADC соответствует спецификациям во всех крайних процессах. Все чаще дизайнеры используют инструменты оптимизации, учитывающие изменения, которые автоматически размер транзисторов для минимизации несоответствия при сохранении в пределах области и ограничений мощности.

Выбор технологий и оптимизация планировки

Выбор правильной технологии изготовления для приложения ADC имеет решающее значение. Для высокой точности (16+ бит), зрелые узлы с более толстыми оксидами затвора и более крупными геометриями устройств предлагают лучшее соответствие и более низкий шум мерцания, чем продвинутые узлы FinFET, которые страдают от более высоких случайных вариаций и повышенной паразитной емкости. Однако для высокоскоростных ADC (много-GS / с), FinFET обеспечивают превосходную транспроводность и более низкий внутренний выигрыш, заставляя дизайнеров полагаться больше на калибровку. Методы оптимизации, такие как использование защитных колец для уменьшения шумового соединения подложки, разделение аналоговых и цифровых доменов питания и использование глубокой n-луночной изоляции для чувствительных блоков, помогают смягчить вариабельность, вызванную процессом.

Тестирование и скрининг на соответствие производительности

Даже при наилучшем проектировании и контроле процесса некоторые матрицы не будут соответствовать спецификациям. Тщательное тестирование необходимо для обеспечения того, чтобы отгружались только детали в требуемом окне производительности. Автоматизированное испытательное оборудование (ATE) измеряет INL, DNL, SNR и SFDR при нескольких температурах и напряжениях питания. Для сокращения времени испытаний многие компании используют методы связывания, которые группируют ADC по степени производительности (например, коммерческое по сравнению с промышленным температурным диапазоном). Статистическое связывание коррелирует результаты испытаний с данными мониторинга процессов для прогнозирования надежности. Для критически важных приложений, таких как автомобильная радарная или медицинская имплантируемая аппаратура, может применяться дополнительный скрининг надежности, такой как сжигание или стресс-тестирование.

Тематические исследования: вариации в архитектуре ADC

Flash ADCs

Флеш-аЦП являются самыми быстрыми, но наиболее чувствительными к вариациям смещения компаратора. Для достижения 6-битного разрешения при 10 ГС/с несоответствие входной пары должно поддерживаться ниже 1 мВ. Без калибровки это требует непрактически больших устройств. Современные флэш-аЦП используют интерполяцию и усреднение методов для снижения эффекта смещения одного компаратора. Кроме того, калибровка переднего плана с использованием цифровых к аналоговым преобразователям (DAC) для корректировки точки перемещения каждого компаратора распространена в высокоскоростных конструкциях.

САР АДЦ

SAR ADC доминируют в приложениях среднего разрешения (8-16 бит) на умеренных скоростях (до нескольких сотен мс/с). Их линейность в первую очередь ограничена соответствием конденсаторной матрицы. Избыточные массивы (например, с использованием лестницы C-2C вместо двоичного взвешенного) уменьшают влияние вариаций блок-конденсатора. В сочетании с цифровой калибровкой, которая измеряет фактический вес каждого конденсатора во время запуска, современные конструкции SAR достигают 14-битной линейности без обрезки. Изменения процесса также влияют на шум и скорость компаратора; более медленный компаратор из-за медленного угла может увеличить время преобразования, уменьшая пропускную способность.

Модуляторы Sigma-Delta

Модуляторы непрерывного времени сигма-дельта широко используются в аудио и связи для высокого разрешения (до 24 бит). Они полагаются на точные константы RC времени для интеграторов петлевого фильтра. Изменения процессов в полирезисторах и конденсаторах MIM могут сместить функцию передачи шума, приводя к нестабильности или увеличению шума в полосе. Инженеры используют цифровую настройку тактовой частоты или регулируемые банки резистора/конденсатора для компенсации. Смещение компаратора квантователя менее критично, потому что усиление петли подавляет его, но избыточные изменения задержки петли могут ухудшить стабильность.

Трубопроводные АЦП

Трубопроводные АЦП достигают высокого разрешения на умеренных скоростях и распространены в беспроводных базовых станциях и визуализации. Они состоят из нескольких этапов, каждый со флэш-АЦП низкого разрешения, DAC и усилителем остатков. Ошибки в усилителе остатков из-за вариаций конденсатора или резистора вызывают межэтапные несоответствия усиления, которые корректируются цифровой калибровкой. Несоответствие емкости в умножающем DAC (MDAC) также способствует ошибкам линейности. Излишние этапы и архитектуры с выглядящим опережением помогают переносить смещения компаратора, но ошибки усиления и урегулирования остаются проблемой.

Будущие тренды и продвинутые узлы

По мере того, как технологии масштабируются ниже 7 нм, влияние изменений процесса становится более выраженным. Устройства FinFET демонстрируют более высокую изменчивость высоты и ширины плавников, а также повышенный случайный телеграфный шум. Снижение внутреннего усиления и более низкие напряжения питания (от 0,7 В до 0,9 В) уменьшают качание сигнала, требуя лучшего соответствия и более низкого смещения. Для поддержания производительности ADC дизайнеры все чаще полагаются на цифровые методы помощи: обширную цифровую калибровку, адаптивное смещение и компенсацию на основе машинного обучения.

Усовершенствованные узлы процессов также обеспечивают более высокие уровни интеграции, позволяя ADC встраиваться в большие системы на чипах (SoC) с плотной цифровой логикой. Эта близость вводит дополнительную шумоподавляющую связь и температурные градиенты, еще больше усложняя согласованность производительности. Дизайнеры смешанных сигналов внедряют подходы кооптимизации технологии проектирования (DTCO), где литейный цех предоставляет специализированные аналоговые варианты резисторов устройств (например, варианты резисторов с низким уровнем несходства, конденсаторы MIM высокой плотности) для смягчения изменений.

Еще одной новой тенденцией является использование новых технологий энергонезависимой памяти (NVM), таких как резистивная ОЗУ (RRAM) для обрезки параметров ADC на месте. Они могут заменить традиционную обрезку на основе предохранителей, предлагая реконфигурируемость и более низкую стоимость тестирования. Кроме того, рост гетерогенной интеграции (3D-укладки) позволяет изготавливать ADC на специальном аналоговом узле процесса, в то время как цифровая обработка использует более продвинутый цифровой узел, уменьшая влияние изменений процесса на чувствительную аналоговую сторону.

Заключение

Изменения процесса являются неотъемлемым и неизбежным аспектом изготовления полупроводников, но их пагубное влияние на производительность АЦП может систематически управляться с помощью комбинации интеллектуального проектирования, строгого управления процессом и калибровки после кремния. Понимание конкретных механизмов, с помощью которых допинговые колебания, литографические ошибки, несоответствия осаждения и тепловые градиенты влияют на смещение компаратора, соответствие конденсатора, точность отсчета и шум, имеет важное значение для любого инженера, работающего на высокопроизводительных преобразователях. Используя надежные топологии, статистические методологии проектирования, адаптивные калибровочные петли и расширенный мониторинг процесса, производители могут достичь последовательной производительности и производительности, необходимой для требовательных приложений в коммуникационных, автомобильных, медицинских и промышленных секторах. Поскольку технология изготовления продвигается к однозначным нанометровым узлам, способность промышленности контролировать и компенсировать изменения процесса останется критическим фактором электронных систем следующего поколения.

Для дальнейшего чтения по методам калибровки обратитесь к обзору цифровой фоновой калибровки SAR ADCs . Для углубленного анализа соответствия конденсаторов в схемах с коммутируемыми конденсаторами см. этот документ TCAS-II по оптимизации компоновки для конденсаторов . Чтобы узнать о влиянии вариаций FinFET на конструкции со смешанными сигналами, этот учебник ISSCC дает отличные идеи . Для всестороннего обсуждения настройки петлевого фильтра модулятора сигма-дельта, этот документ TCAS-I охватывает адаптивные методы смещения .