Вспомогательные элементы мдп микросхем.

М ДП транзисторы способны накапливать значительный статический заряд, т.к. по сути, представляют из себя конденсатор. Это может привести к пробою подзатворного диэлектрика. С целью защиты статического электричества во входную цепь включают один или два охранных диода. Два диода более надежны, т.к. заряд может быть любого знака.

При проектировании охранных диодов необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя p-n перехода диодов (больше 2 ) и малые паразитные емкости. Первое требование выполняется использованием в качестве одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 низколегированной p- области, второе требование выполняется – минимизацией площади p-n перехода. Недостатком этого метода защиты является низкое входное сопротивление МДП ИС и появления тока утечки во входной цепи. При через входную цепь протекает большие токи, что приводит к разрушению диодов по току.

Другой проблемой в МДП ИС является появление паразитных каналов в приповерхностном сильнолегированном слое. Увеличение толщины диэлектрика над опасным участком не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитных каналов. Эффективным средством против возникших сквозных паразитных каналов являются кольцевые каналоограничивающих p⁺ и n⁺ областей, в которых инверсия проводимости вследствии высокого легирования, практически не возможна.

Для полного исключения возможного формирования паразитного канала на p⁺ - область охранного кольца подается самый низкий потенциал схемы, а n⁺- самый высокий. n⁺- охранное кольцо формируется в p- канальном МДП транзисторе, а p⁺- в n – канальном МДП транзисторе.

Недостатки: существенное повышение площади транзистора и снижение степени интеграции МДП микросхем. Охранные кольца нашли широкое применение в КМДП ИС, где одно кольцо применяется на всю группу n- канальных или p- канальных транзисторов.

Конструкции кмдп бис.

Главным преимуществом КМДП ИС является низкое энергопотребление. Другое преимущество – это высокая помехоустойчивость и широкий диапазон напряжения питания.

Однако существуют и недостатки: низкое быстродействие; большая площадь кристалла; сдвиг передаточной характеристики при одновременной подаче сигнала на несколько входов; тирристорный эффект защелкивания при бросках тока во входной и выходной цепях.

Развитие конструкции КМДП ИС шло параллельно по двум направлениям:

1. модификация пленочных структур, расположенных поверх полупроводниковой пластины;

2.модификация структур, размещенных в кремневой подложке.

КМДП ИС представляют собой последовательное соединение p- канальных МДП транзисторов и параллельное или последовательное (в зависимости от логической функции) соединение n- канальных транзисторов.

При параллельном и последовательном соединениях однотипных транзисторов широко используется метод функционально – интегрального проектирования.

Транзисторы p- типа имеют низкое быстродействие. Поэтому чтобы уравновесить быстродействие n- и p- канальных транзисторов повышают в (1,5 – 2) раза ширину p- канала.

Основной конструктивной сложностью при проектирование КМДП ИС является реализация транзисторов разных типов в одном кристалле. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать в качестве примера только инверторы.

Исторически первой была конструкция, где p- канальный транзистор формируется в подложке n- типа, а для n- канального транзистора делается специальный p-карман. Это объясняется тем, что в то время примесью, с помощью которого может быть получен глубокий слабо легированный карман, был бор.

П о технологический причинам карман p- типа имеет уровень легирования больше, чем у подложки. Что приводит к значительному увеличению емкости p-n перехода n- канального транзистора и, как следствие, ухудшение его характеристик. Это оказалось плохо для КМДП ИС, где число n- канальных транзисторов больше, чем p- канальных (снижение быстродействия, увеличение площади ИС).

В дальнейшем удалось создать конструкцию, в которой n- канальный транзистор формируется в p- подложке, а для p- канального транзистора делается n- карман.

Э та конструкция позволяет улучшить характеристики ИС с большим числом n- канальных транзисторов. Однако в этом случае, возникают аналогичные проблемы: снижаются рабочие характеристики для p- канального транзистора.

Полное решение проблемы улучшения характеристик транзистора связано с освоением КМДП технологии с карманами двух типов. В этом случае исходный уровень легированной подложки делается очень низким (эпитаксиальный слой). Это позволяет для каждого типа карманов подобрать оптимальную дозу примеси. При наличии двух карманов автоматически решаются проблемы самоизоляции защелкивания и влияния подложки. Для устранения эффекта защелкивания и влияния подложки нижний уровень подложки делается n⁺ - типа. В результате образуется общий базовый контакт по всем базам паразитных транзисторов:

В приведенных примерах рассматривается конструкция с алюминиевой металлизацией. В реальных конструкциях может применяться любой из ранее рассмотренный транзистор.

В современных КМДП БИС для улучшения характеристик используют двухуровневую разводку, применяют подлегирование периферийных областей для затруднения образования паразитных МДП транзисторов, карманы различного типа проводимости в приповерхностной области разделяют толстым слоем окисла (как в комбинированной изоляции). Это позволяет снизить размеры КМДП инвертора со 120 мкм в обычной конструкции до 43 мкм при одновременном увеличении быстродействия в (2 – 3) раза. Конструкция такого инвертора:

П ерспективными являются БИС на сапфировых подложках. Эти транзисторы обладают малой площадью (меньше на 30%), высоким быстродействием (отсутствуют паразитные транзисторы и малые емкости) и большой рассеиваемой мощностью. Однако они имеют высокую стоимость выращивания эпитаксиальной структуры на сапфировых подложках, и поэтому не нашли широкого применения в массовом производстве. Применяются в БИС специального назначения.