Tripple well, Deep nwell - Substrate 분리. Deep nwell에 psub 박는 이유

우리가 설계하는 칩은 반도체를 이용합니다. 이러한 반도체는 어느 type으로 도핑되었느냐에 따라서 n-type 혹은 p-type으로 나뉘게 됩니다. N-type 반도체는 electron을 carrier로 한 반도체이고 p-type 반도체는 hole을 carrier로 한 반도체이죠.

현대 공정은 대부분 p-substrate를 이용하고 이 p-substrate 위에 n-well 을 만들어 PMOS와 NMOS를 사용하는 CMOS 공정입니다. n-substrate 에 p-well을 사용할 수도 있지만 대부분 p-sub을 사용하죠.

이 때 p-substrate 는 당연히 칩의 가장 낮은 전압 VSS 즉 Ground 로 잡혀있게 됩니다. n-well도 다는 아니지만 대부분 VDD 즉 Supply voltage로 잡혀있게 되죠. 아주 간단히 생각하면 아래와 같이 생각하면 됩니다.

PMOS 는 nwell 안에 존재하고 n-well 이 VDD로 biasing이 되어있기 때문에 body 전압이 VDD 그리고 NMOS는 p-sub 위에 존재하고 p-sub 이 VSS로 biasing이 되어있기 때문에 body 전압이 VSS 인거죠.

 

반면에 이번에는 PMOS의 body를 VDD가 아닌 Vx로 잡을 때를 생각해봅시다. PMOS의 body를 Vx 전압으로 잡아주기 위해서는 nwell을 Vx로 biasing 해주어야 합니다. 따라서 p-sub 위에 기존의 n-well 과 조금 떨어지게 n-well 을 만들어 준뒤 이 n-well에는 Vx 의 전압을 걸어주면 됩니다. 이렇게 p-sub을 사용할 때는 n-well을 이용해서 PMOS의 body 전압을 잡아주기 때문에 여러 개의 n-well을 파고 각기 다른 전압을 걸어주면 됩니다.

 

하지만 NMOS에 다른 biasing을 잡아주기 위해서는 다른 공정이 필요합니다. 바로 Tripple well 혹은 deep nwell을 사용해야 다른 body 전압을 걸어줄 수 있죠! p-sub을 사용하는 공정에서는 또다른 p-sub을 사용해서 body 를 분리시키기 어렵습니다. 이를 위해서는 각 p-sub 간의 전압을 분리시켜줄 수 있는 파티션이 필요하죠. 바로 이 파티션 역할을 n-well 이 하게 됩니다. 이 때의 n-well은 기존의 n-well 과 달리 n-well 안에 또다른 p-well을 포함하므로 tripple well 이라고 부르기도 하고 혹은 deep n-well 이라고 부르기도 합니다. 이렇게 n-well을 파고 그 안에 또 p-well을 파 결국 저 p-well 이 분리된 p-sub 역할을 하도록 하죠

 

일반적으로 layout을 그릴 때 deep nwell은 nwell 로 꼭 둘러싸주어야하는 걸 볼 수 있는데 그 이유는 위와 같습니다. 실질적으로 deep nwell은 nwell 보다 좀 더 깊은 nwell 을 쳐주겠다는 의미입니다. 따라서 이렇게 deep nwell 을 그리면 그 주위를 nwell로 쳐줘야 실질적으로 p-sub 과 분리된 pwell을 만들 수 있는거죠. 사실 이 부분 때문에 deep nwell 을 이용해 substrate를 분리할 때 많이 헷갈리게 되는데요. 우리는 layout을 그릴때 3D view 로 그리는 것이 아닌 Top view 로 그리기 때문이죠!! 따라서 정말 간단히 생각하면 Deep nwell 을 둘러싼 n-well은 Tripple well 의 경계 라고 생각하고 Deep n-well 이 그려진 영역을 p-well이라고 생각해도 무방합니다!! 실제로 Deep n-well 에는 VDD 의 high voltage를 biasing 해주는 것이 아닌 VSS의 low voltage로 biasing 해주니까요!

 

이런식으로 sub 을 분리해주는 이유는 다양한데요, 가장 큰 이유 중 하나가 Ground 로 사용하는 VSS 를 좀 더 깨끗하게 사용하기 위해서입니다. Digital circuit은 VDD에서 VSS까지 끊임없이 toggle 하기 때문에 VSS로 정말 많은 charge 들을 버리게 되고 이로 인해 VSS가 끊임없이 흔들리게 됩니다. 이런 noisy 한 ground 는 digital circuit에는 큰 영향을 못 끼치죠. 왜냐하면 digital circuit은 VDD/2 를 기준으로 그보다 커서 1인지, 아니면 그보다 작아서 0인지가 중요하니까요!! 하지만 연속적인 값이 중요한 analog circuit 의 경우에는 다릅니다. Analog circuit은 보다 더 깨끗한 ground를 갖고 있어야 원하는 동작을 할 수 있는데요, 이를 위해 deep nwell 을 사용해 digital circuit 과 analog circuit 의 ground 를 분리해 안정된 ground를 얻어낼 수 있게 됩니다