|
| |
|
Главная Журналы вать длину сигнальных проводников для уменьшения их паразитной емкости. На рис. 5.7.3 приведены электрическая схема и пред-ваои1ельное размещение элементов двойного РТЛ-элемента 2 ИЛИ-НЕ.   Рис. 5.7.4. Размещение элементов с учетом действительной формы и размеров элементов (а) и топология РТЛ-элемента (б) ---контуры п-областей (карманы);---контуры л+-областей (эмиттеры, подконтакт- иые области коллекторов) На втором этапе уточняют размещение элементов. При это.м используют их несколько упрощенное изображение с соблюдением формы и размеров (в масштабе, например, 100:1) и учитывают конструктивно-технологичеокие ограничения на такие геометрические размеры: расстояния между краями изолированных областей и элементами; расстояния между элементами внутри изолированной области; расстояния между изолированными областями; размеры периферийных контактных площадок и расстояния между ними; расстояния между контактными площадками и полосой для скрайбпрования; расстояния между контактными площадками и элементами и т. п. Необходимо иметь в виду, что рас-стояямя между элементами могут ограничиваться допустимыми уровнями паразитных взаимодействий. На эскизе размещения элементов соединительные проводники изображены непрерыв.ными жирными линиями (ом. рис. 5.7.4,а). При окончательной проработке топологии осуществляют разводку коммутационных проводников с учетом конструктивно-технологических ограничений на .их ширину и расстояния между проводниками. Проводники, по которым будут протекать достаточно большие токи, должны выполняться в виде широких полосок для уменьшения сопротивления и повышения надежности микросхемы.  Пример топологии РТЛ-элемента, разработанной на основании вышеизложенных рекомендаций, приведен на рис. 5.7.4,6. Интегральные схемы на МДП-транзисторах. При разработке МДП-ИС широко используются типовые фрагменты, состоящие из пап:ллельного, последовательного и смешанного соединения МДП-транзисторов. На рис. 5.7.5 представлены топология и электрическая схема двух трех- транзисторных ЗЭ динами- --ITI1Z> рш ческого ОЗУ на р-канальных МОП-транзисторах. Здесь используется смешанное соединение четырех транзисторов. С помощью диффузионной шины управления разрядами РШ параллельно включены две пары последовательно соединенных транзи-! сторов VTli-VT3i и VTlj-VT3j. В данной конструкции емкость любого накопительного конденсатора ячейки Снк г состоит ИЗ ДВуХ СОСТЗВ- ляющих: емкости р-л-перехода, образованного прямоугольной р-областью и «-подложкой, и емкости МОП-структуры р-область - ЗЮг - заземленная металлическая шина. Из-за паразитных элементов конструкции, обозначенных штриховой линией на электрической схеме, при определенных условиях информация на накопительном конденсаторе может разрушаться. Узлы БИС на основе МДП-транзисторов имеют регулярную структуру. В этом случае применяют ортогональную трассировку диффузионных и металлических шин по линиям координатной сетки. МДП-транзисторы и контактные межслойные переходы располагают в узлах координатной сетки. На рис. 5.7.6 приведен (условно) пример разводки шин питания, заземления, сигнальных шин и размещения МДП-транзисторов. При проектировании топологии БИС рекомендуется использовать короткие диффузионные шины для соединения истоков и стоков, сгруппированных в последовательно-параллельные цепочки МДП-транзисторов и для устранения пересечений с помощью «туннелей». Сопротивления длинных диффузионных шин, включенных в истоковые цепи МОП-транзисторов, оказывают существенное влияние на напряжение ji I логического нуля. Диффузионные шины, включенные в сигнальные цепи, создают задержку и ослабление сигналов. Вышеуказанные условия легко выполняются, если рабочее поле кристалла Рис. 5.7.5. Топология (а) и электрическая схема (б) двух трехтранзисторных ЗЭ динамического ОЗУ на р-канальных МОП-транзисторах БИС разделяется на рабочие зоны - полосы, ограниченные шинами питания и заземления (см. рис. 5.7.6). Внутри рабочих зон формируют элементы фрагментов. Между рабочими зонами оставляют узкие коммутационные зоны (каналы) для трассировки металлических шин, с помощью которых осуществляются связи достаточно удаленных элементов и межфрагментные связи. г--Диффутт/е тты  соединения -= Тринаис/поры У. Ронтинтнь/д они» ЧЗ- Конденситоры Рис. 5.7.6. Фрагмент эскиза топологии БИС При конструировании КМДП-ИС применяют изолированные полупроводниковые области-карманы, внутри которых формируют группы нагрузочных (или ключевых) МДП-транзисторов (см. рис. 5.2.9,6). Для изготовления карманов применяют эпитаксиальное наращивание кремния в вытравленные углубления. К карману подводят напряжение смещения от источника питания, обеспечивающее изоляцию нагрузочных МДП-транзисторов относительно кармана. Одновременно с этим истоки изолированных МДП-транзисторов соединяют с собственной подложкой-карманом. Для устранения паразитных каналов применяют «охранные» области из материала с повышенной концентрацией примесных атомов. Процесс конструирования МДП-ИС можно разбить на три этапа: выбор конструктивно-технологической реализации и структуры МДП-ИС; расчет геометрических размеров МДП-транзисторов и разработка топологии микросхемы. При инженерной разработке МДП-ИС и БИС конструктор ориентируется на определенный технологический процесс. В этом случае известны не только параметры поперечной структуры (концентрации примесей и удельные сопротивления областей, удельные емкости р--п-переходов, толщина окисла, пороговые напряжения и рабочие напряжения перехода сток - подложка), но и конструктивно-технологические ограничения на разработку топологии. Геометрические размеры МДП-транзисторов выбирают, ис- ходя из условия обеспечения заданной крутизны ключевых транзисторов, необходимой помехоустойчивости и минимума площади, занимаемой элементами конструкции. В § 5.2 были изложены рекомендации по определению геометрических размеров МДП-транзисторов инвертора с нелинейной нагрузкой. Приведем пример расчета геометрических размеров основных областей инвертора (размеры каналов и границы тонкого окисла). Пример. На рис. 5.7.7 приведена топология элементов инвертора и указаны ограничения на некоторые размеры (в микрометрах), определяемые возможностями принятой технологии. Определить геометрические размеры каналов ключевого и нагрузочного МДП-транзисторов, обеспечивающих отношение их коэффициентов формы /Со =10 и минимальную площадь. 1. Из данных рис. 5.7.7 следует: 1„ан i т1п=-иан ti-2X2= 10-4 = 6 мкм; ок1=кан 1 mln-f2X3 = 6-f6=12 МКМ; В„ан 2 min =Вои2= 10 МКМ. 2. Из условия (5.2.1) и данных рис. 5.7.7 получим .кан 2 = -кан! min Vo = 6 УТО = 19 мкм ; = Вкан2 mm = 10 УТО = 31,5 мкм ; Вок1 = Вкан1-Ь2]Х[3 = 3],5-Ьб!«38мкм;1,ок2 = 1.каН2 + 2 X 3= 19-Ь -{- 6 = 25 мкм. Остальные размеры конструкции (металлизация затворов, контактные окна, то-копроводящие дорожки) выбирают, исходя из конструктивно-технологических ограничений, и привязывают к областям истока, стока и тонкого окисла. После определения геометрических размеров и разработки топологии МДП-транзисторов разрабатывают топологию всей БИС с помощью ЭВМ или последовательно-параллельно разрабатывают топологию отдельных фрагментов (функциональных узлов), которые затем размещают на кристалле. Чтобы максимально использовать площадь кристалла при разработке топологий функциональных узлов, конструктор работает с ЭВМ в интерактивном режиме. Оптимальное размещение структурных единиц и трассировку межсоединений в БИС осуществляют обычно с помощью ЭВМ [7]. При этом конструктор может корректировать топологию функциональных узлов для согласования их связей и упрощения коммутационной сети (снижение числа пересечений и уменьшение длин коммутационных шин). Рис. 5.7.7. Топология диффузионных областей (---) и областей тонкого (подзатворного) окисла (штриховка) в инверторе на МДП-транзисторах При разработке оригинальных МДП-структур следует обоснованно выбирать электрофизические параметры материалов. От величины удельного объемного сопротивления материала подложки зависят пороговые напряжения Lsnop, напряжения пробоя р-  n-переходов исток-подложка и сток - подложка. С повышеиием Ру уменьшается зависимость Lanop от концентрации примесей атомов в подложке [см. (4.6.10)] я повышается напряжение пробоя р-п-переходов. Однако при терм1ических обработках наблюдается существенное изменение электрофизических свойств материалов с ру~10 Ом-см. Кроме того, при снижении концентрации акцепторных примесей увеличивается вероятность появления паразитных (инверсионных каналов за счет положительного заряда в окисле. В практике используются подложки с ру~1 ... 10 Ом-см. От толщины диэлектрика (подзатворного окисла) зависят пороговое напряжение, крутизна и пробивное напряжение промежутка затвор-канал [см. (4.6.10), (4.6.14)]. Приемлемая толщина диэлектрика 0,1... 0,2 мкм [9]. При вышеуказанных значениях параметров материала подложки и толщины диэлектрика пороговое напряжение МДП-транзисторов с алюминиевыми затворами 4... ...6 В. Концентрацию примесей областей истока и стока выбирают такой, чтобы обеспечить необходимое рабочее напряжение перехода сток - лодложка, достаточно малую паразитную емкость этого перехода и приемлемое сопротивление полупроводниковых токоведу-щих шли.- Удельное поверхностное сопротивление диффуз1Ионных шин определяется как концентрацией атомов примесей, так и глубиной залегания р-п-переходов диффузионных областей. Обычно глубину залегания р-п-лереходов выбирают 1...2 мкм, чтобы уменьшить влияние горизонтального размытия диффузионных областей на длину каналов ключевых МДП-транзисторов. В этом случае Рп ~ 10 ... 50 Ом/П. глава 6 Функциональные микроэлектронные элементы и устройства § 6.1. Общие замечания В интегральных микросхемах (ИС) можно выделить определенную часть конструкции (элемент), соответствующую конкретному электрорадиоэлементу электрической схемы. Микросхемы, осуществляющие сложное преобразование информации, состоят из нескольких тысяч элементов. Увеличение степени интеграции путем увеличения количества элементов микросхемы ограничивается экономическими факторами и уровнем надежности. Для уменьшения количества различимых элементов конструкции ib больших интегральных схемах (БИС) необходимы новые принципы построения микросхем. Одним из путей устранения противоречия между сложностью, стоимостью и надежностью БИС является применение так назы- ваемых функциональных элементов и устройств (приборов), выполняющих определенные функции по преобразованию или обработке информации и характеризующихся минимальным количеством различимых элементов конструкции. Эти приборы строят на основе использования различных физических явлений и эффектов в твердых телах: эффектов накопления и переноса электрических зарядов (инжекция, дрейф, диффузия, эффект поля, туннельный эффект, модуляция проводимости, формирование и перенос электрических доменов); эффектов, связанных с изменением состояния вещества при прохождении электрического тока (эффект Овшин-ского); магнитных, магнитооптических и термомагнитных явлений и эффектов (формирование и управляемый перенос магнитных доменов, эффекты Керра и Фарадея); фотоэлектрических и электрооптических явлений и эффектов (вентильный фотоэффект, фотопроводимость, излучательная рекомбинация, электрооптический эффект Керра); тепловых и термоэлектрических явлений и эффектов (инерционность теплопереноса, эффекты Пельтье и Зее-бека); пьезоэлектрических и магнитострикционных эффектов, акустооптических явлений (дифракция Брэгга оптических волн на периодических неоднородностях, созданных упругими волнами), явлений взаимодействия потока электронов с поверхностными акустическими волнами в твердом теле и др. Классическим примером функционального прибора является кварцевый резонатор, выполняющий частотную селекцию. В кварцевом резонаторе электрическая функция реализуется путем использования прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов. Эквивалентная электрическая схема кварцевого резонатора состоит из индуктивности, емкости и сопротивления. Однако в конструкции резонатора мы не можем обнаружить эти элементы в общепринятом конструктивном исполнении, что является характерным признаком, функциональных приборов. Функциональные элементы и устройства используются при решении задач комплексной миниатюризации радиоэлектронной и электронно-вычиачительной аппаратуры. Основной целью комплексной микроминиатюризации ЭВМ является снижение ее массога-баритных и повышение эксплуатационных характеристик широким применением микроэлектронных устройств вместо электромеханических узлов периферийного оборудования (устройства ввода и вывода информации, внешняя память), крупногабаритных электромагнитных элементов источников вторичного электропитания и электромеханических элементов межблочных связей. § 6.2. Устройства на основе цилиндрических магнитных доменов Цилиндрические магнитные домены (ЦМД) являются носителями информации. Они представляют собой локальные области в магнитной подложке (кристалле, пленке или пластине) с одноос- 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 |