|
| |
|
Главная Журналы Блок памяти (накопителя) ПЗУ (рис. 5.4.10) представляет собой матрицу, в узлах которой расположены элементы связи (ЭС). ЭС может находиться в одном из двух состояний: наличие связи (открытое состояние) соответствует «оду 1, отсутствие связи (закрытое состояние) - коду 0. При обращении к ПЗУ сигнал с выхода дешифратора подается на один из словарных столбцов Alllj в соответствии с заданным адресом. Этот сигнал передается в разрядные щины, с которых снимается информация. В качестве элементов связи используются полупроводниковые диоды и транзисторы. В процессе производства ПЗУ запись информации осуществляется сменой маски металлизации, селективным вскрытием контактных окон или селективным травлением подзатворных окисных пленок в МОП-транзисторах. На рис. 5.4.11 показаны примеры записи информации при помощи заказного фотошаблона металлизации и фотошаблона контактных  Разрядные u/umh вмрытый эмип7тернб/и тнтакт - Эмиттеры -Вазы- Рис. 5.4.11. Запись информации в ПЗУ при помощи заказного фотошаблона металлизации (а) и фотошаблона для вскрытия контактных окон в окисной плен-а) 6) ке (б) окон для ПЗУ, выполненного на основе многоэмиттерных биполярных транзисторов (рис. 5.4.12,а). В изготовленные полупроводниковые ПЗУ информация заносится электрическим методом Hod г иод О \ИодГ НодГ . Нод1 \НодО C J-  HodJ Hod О  F9df Ново Рнс. 5.4.12. Схемы элементов связи ПЗУ: с - многоэмиттерные транзисторы (кодирование осуществляется с помощью заказных фотошаблонов илн плавких перемычек); б - диоды с посчедовательно включенными плавкими перемычками; в - пара встречно включенных диодов (перемычка означает, что VD2 пробит) путем пережигания плавких, например нихромовых, перемычек Пр (рис. 5.4.12,а,б) или пробоем р - п-переходов в элементах связи, состоящих из двух встречно соединенных диодов (рис. 5.4.12,б). Такая пара диодов, обеспечивает большое сопротивление между адресной и разрядной шинами (код 0). Для установления связи между соответствующими шинами (код 1) производится электрический пробой одного из диодов в процессе записи информации в ПЗУ. Многократная смена информации осуществляется в ПЗУ на МОП-транзисторах с накоплением заряда. Перезапись информации троизводится с помощью электрических сигналов. Важной особенностью таких ППЗУ является сохранение информации при отключении источников питания. § 5.5. Паразитные эффекты в конструкциях полупроводниковых ИС В конструкциях полупроводниковых ИС проявляются паразитные эффекты активного и пассивного типов, влияющие не только на электрические параметры микросхем, но в некоторых случаях и на их работоспособность. Паразитные эффекты активного типа обусловлены наличием паразитных транзисторных структур. Паразитный транзисторный эффект проявляется в том случае, когда расстояния между рядом расположенными р -п-переходами сравнимы с диффузионной длиной неосновных носителей, а потенциалы на электродах паразитной транзисторной структуры соответствуют активному рабочему состоянию. В § 4.2-4.4, 4.8 было показано влияние активной подложки на электрические параметры и характеристики интегральных элементов (транзисторов, диодов, резисторов). Ранее рассмотренные паразитные эффекты обусловлены в основном вертикальными паразитными р - п-р-транзисторами. При повышении степени интеграции и совершенствовании технологии уменьшаются расстояния между вертикальными участками р - п-переходов, выходящими на границу раздела кремний - окисел. В этом случае образуются (паразитные продольные транзисторные структуры, которые ограничивают плотность компоновки БИС. При анализе влияния активных паразитных эффектов на параметры микросхем в их электрические схемы вводят паразитные транзисторы. Для примера в схеме ТТЛ-элемента, изображенной на рис. 5.2.3, паразитные р - п - р- и п - р - п-транзисторы условно показаны штриховыми линиями. Предполагается, что диффузионные резисторы и R, сформированные на основе базового р-слоя, расположены в одном п-кармане с выводом Л. Подложка имеет вывод П. Интегральные транзисторы VT1, VT2 и резисторы i/?6, Rn имеют паразитные р - п - р-транзисторные структуры, обусловленные наличием активной подложки. Кроме того, между рядом расположенными в одном /г-«армане резисто-.рами J?6 и Rb может существовать дополнительный горизонтальный р - п - р-транзистор. Паразитный /г+-р - п-транзистор существует между эмиттерными /1+-областями двухэмиттерного транзистора VTI, топология которого показана на рис. 5.2.4,а. Этот транзистор работает в нормальном режиме в том случае, когда на один из эмиттеров подан сигнал логической единицы, а на второй-сигнал шогического нуля. Ток паразитного n+-p-/i+-транзистора увеличивает входной ток логического элемента. Для уменьшения коэффициента усиления паразитного п+ - р - п+-транзистора необходимо на соответствующее расстояние {¥б> >Ln) разносить /г+-эмиттеры и тем самым увеличивать размеры многоэмиттерного транзистора. Для повышения плотности компоновки микросхем группа резисторов располагается в одном п.-кармане (рис. 5.5.1, 5.2.2). В этом случае уменьшается площадь, занимаемая разделительными  1 »-т I 1 у.*.---1- +---1--0 i I i =¥СГ Ф« N -о О Рис. 5.5.1. Конструкция (а) н упрощенные схемы (б, в) группы диффузионных резисторов, расположенных в одном п-кармане ?+-областями. Если п-область кармана имеет «плавающий» потенциал (на вывод uV не подано напряжение от внешнего источника), то между резисторами существуют «ак aiKTHBHbie связи, обусловленные паразитными р - п - р-транзисторами (рис.
Рис. 5.5.2. Иллюстрация активных пара-.зитиых эффектов в структурах с ИЛ-эле-ментами Рис. 5.5.3. Иллюстрация возможности образования паразитного МОП-транзистора между диффузионными шинами  5.5.1,6), так и пассивные емкостные связи, обусловленные емкостями переходов (рис. 5.5.1,б). Для устранения вышеуказанных связей широко используется подача на п-область кармана самого высокого положительного потенциала t/ип, а на подложку -отрицательного потенциала. Если источник с отрицательным смещением не используется, то подложку заземляют. При таком распределении потенциалов паразитные р - п - р-транзисторы запираются, так как п-область «армана вьпполняет роль общей базы этих транзисторов. Емкостная связь между резисторами устраняется потому, что п-область по переменному току заземляется через источник напряжения с малым внутренним сопротивлением. Этот способ устранения емкостных связей между резисторами подобен способу экранирования проводников заземленной плоскостью, рассмотренному в § 3.3. В структурах с ИЛ инверторами (рис. 5.5.2) для повышения плотности компоновки желательно уменьшать расстояния между базовыми р-областями соседних транзисторов. Эти расстояния ограничиваются не только возможностями технологии, но и допустимым уровнем паразитных связей между соседними транзисторами за счет продольных паразитных р-п - р-транзисторов. Смещение р-областей, показанное на рис. 5.5.2, соответствует открытому состоянию паразитного р -п -р-транзистора. Для ослабления рассматриваемых связей применяют промежуточные п+-области, которые характеризуются малой диффузионной длиной дырок Lp. Эти же отражающие п+-области способствуют повышению эффективности эмиттеров, так как при этом уменьшаются горизонтальные составляющие дырочных токов. В интегральных схемах на МДП-транзисторах активные паразитные эффекты возникают из-за образования паразитных МДП- и биполярных транзисторов. На рис. 5.5.3 для примера показана возможность образования паразитного п-канала между диффузионными шинами митания п-типа, если поперечная металлическая коммутационная шина находится под высоким положительным потенциалом. Паразитные каналы возникают при недостаточной толщине изолирующего окисла, высоком положительном заряде в этом окисле и высоком удельном сопротивлении материала подложки. Для устранения паразитных каналов используются толстые изолирующие пленки за пределами областей каналов МДП-транзисторов. В этом случае существенно повышается пороговое напряжение паразитных МДП-транзисторов [см. выражение (4.6.10)]. Весьма благоприятные условия для образования паразитных каналов существуют в конструкциях с взаимодополняющими МДП-транзисторами. Структура КМОП-инвертора была показана на рис. 5.2.9,в. Паразитные р-каналы образуются между р-областями 5 и 7 при отрицательном потенциале относительно п-1П0ДЛ0ЖКИ на металлическом коммутационном проводнике {14)г соединяющем стоки МДП-транзисторов. Паразитные п-каналы образуются между п-областями / и 5 при положительном потеациа- ле на проводнике (14) относительно /?-«армана. Для устранения паразитных каналов применяют охранные п+-области на участках возможного образования /7-каналов н р+-области на участках возможного образования п-каналов. Сильнолегированные п+- и />+-области предотвращают возможность инверсии проводимости полупроводниковых материалов у границы кремний - окисел. Паразитные эффекты пассивного типа обусловлены паразитными емкостями р - п-переходов и коммутационных проводников, сопротивлениями полупроводниковых областей активных и пассивных элементов и токоведущих шин. Некоторые из этих эффектов рассмотрены были ранее (паразитные емкости р -п-переходов транзисторов, диодов, резисторов и конденсаторов; сопротивления областей баз и коллекторов транзисторов и обкладок полупроводниковых конденсаторов). В полупроводниковых ИС с повышенным уровнем интеграции возможны недопустимые падения напряжений на сопротивлениях металлических и полупроводниковых шин. Из-за сопротивления щин между логическими элементами кристаллов образуются гальванические связи, снижающие помехоустойчивость цифровых ИС (см. § 3.3). Для уменьшения сопротивления шин необходимо стремиться Минимизировать их длину, так как снижение сопротивления шин увеличением их ширины приводит к понижению плотности компоновки и процента выхода годной продукции из-за коротких замыканий, вызванных дефектами в окисной пленке. В БИС применяют последовательно-параллельную разводку металлических шин питания и заземления (см. рис. 3.3.14,6), чтобы уменьшить их сопротивления, индуктивности и протекающие по ним токи. Снижение сопротивления диффузионных шин путем по-нышения их толщины практичеоки не используется, так как они формируются одновременно с истоками МДП-транзисторов. Малая глубина диффузионного слоя (1...2 мкм) ограничивается допустимым размытием длины канала из-за диффузии в горизонтальном направлении. Совместное применение диффузии и ионной и.мплантации позволяет снять вышеуказанное ограничение. Диффузионная токоведущая шина представляет собой ?С-ли-«ию с распределенными параметрами. В такой 7?С-линии могут возникнуть задержка и затухание сигнала, нарушающие работоспособность цифрового устройства. В § 1.3 была приведена методика расчета задержки сигнала ?С-линией. Для диффузионной iRC-линии длиной / 4д~0,4т=0,4?лСл = р-Со/. Пример. Определить время задержки, создаваемое диффузионной iC-лини-ей с параметрами рц»20...50 Ом/П, Со=160 пФ/мм, 1=5 мм. Подставляя исходные данные в приведенную выше формулу для /зж получаем: зд=0,4-(20...50)-160-10-12.25= (32...80)-10-« с. Достаточно длинные металлические коммутационные проводники (/~1 см) быстродействующих БИС создают задержку информационных и тактирующих сигналов, сравнимую с задержками в логических элементах. Полупроводниковое основание конеч- ной толщины (эпитаксиальный слой) оказывает замедляющее воздействие на скорость v распространения электромагнитной волны в линии передачи, представляющей собой МДП-структуру (металл - алюминий, диэлектрик-Si02, полупроводник). В [8] показано, что при ширине коммутационного проводника, равной толщине эпитаксиального слоя с удельным сопротивлением pv~0,01 ...1,0 Ом-см, и/с~0,025, где с - скорость света. Время задержки, создаваемое проводником длиной /= 1 см, составляет более 1 НС, что сравнимо со средней задержкой быстродействующих логических ЭЛС элементов (4дср~0,5... 3 не). Между пересекающимися (изолированными) токоведущими шинами существуют паразитные емкостные связи, сильно влияющие на помехоустойчивость ИС и БИС. Емкость связи можно рассчитать по формуле (1.2.1). Для БИС характерна очень сложная коммутационная сеть. Одна и та же сигнальная шина может неоднократно (десятки раз) пересекаться другими шинами с сигналами, сдвинутыми во времени из-за задержек в линиях связи и активных элементах. Расчет параметров емкостной помехи в сложной коммутационной сети может быть выполнен только с применением ЭВМ. § 5.6. Корпуса. Тепловой режим Корпус полупроводниковый ИС не только защищает элементы кристалла от воздействия внешних механических и климатических факторов (пыль, влага, газы), но и обеспечивает необходимый тепловой режим этих элементов. Проблема теплоотвода тесно связана с проблемой обеспечения высокой надежности микросхем. Экспериментальные данные показывают, что интенсивность отказов возрастает в 1,5... 2 раза на каждые 10° С повышения температуры р - п-переходов кристалла. Конструкция корпуса и теплотехнические свойства материалов в значительной степени определяют тепловой режим элементов кристалла. На рис. 5.6.1,а показана упрощенная модель распределения тепловых потоков в ИС с полым стеклянным, металло-
 Рис. 5.6.1. Упрощенные модели микросхем в полом (а) и в пластмассовом (б) корпусе: / - источник тепла; i -кристалл; 3 - клеевая прослойка (припой); корп;с; 5 - теплоотвод; i - пластмасса; 7 - металлическая вставка-основание 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [ 40 ] 41 42 43 44 45 46 47 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||