2.3 Топология инвертора по кмоп-технологии.
На рис. 2 представлены электрическая схема, структура и топология КМОП-инвертора. Отличительной особенностью топологии КМОП-технологии от n-МОП технологии является наличие p-кармана. Эта область p-типа проводимости выступает в роли подложки для n-канального транзистора. Затворы n- и p-канального транзистора соединены между собой и представляют собой вход инвертора. Соединенные стоки обоих транзисторов являются выходом инвертора. Исток n-канального транзистора заводится на шину Земля, а исток p-канального транзистора на шину Питание.
Рисунок 2. КМОП-инвертор: а) принципиальная схема; б) поперечное сечение; в) топология инвертора с p-карманом; и - исток, з - затвор, с - сток, IN - вход, OUT - выход
В КМОП-схемах благодаря экстремальным и фиксированным значениям логических уровней (U(0)=VSS, U(1)=VDD), не зависящих от параметров транзисторных структур (крутизна, пороговое напряжение) и, следовательно, от их топологии, отпадает необходимость топологического расчета на основе статических требований. Обусловленную этим свободу выбора можно использовать для проектирования КМОП-схем, обладающих топологией, которая позволяет получить оптимальные динамические характеристики - высокое быстродействие при минимальном потреблении мощности.
В этом заключается принципиальное отличие топологического проектирования КМОП-схем от проектирования МОП-схем.Для минимизации потребляемой мощности необходимо уменьшать как отношение W/L, так и абсолютное значение длины канала. При расчете геометрических размеров транзистора длина его канала выбирается равной минимально допустимому значению - минимально допустимой ширине поликремния на n+- и p+-области.
Ширину канала определяют исходя из требований, предъявляемых к крутизне. Топология МОП-транзистора с каналом p-типа по площади приблизительно вдвое больше, чем МОП-транзистора с каналом n-типа. Такая разница возникает из-за необходимости компенсации различия в подвижности дырок и электронов в тех схемах, где нужна согласованность быстродействия элементов схемы. Если в некоторых конкретных применениях согласование быстродействия несущественно, то площади транзисторов с различным типом проводимости каналов могут быть сделаны одинаковыми.
Глава 3. Основные элементы конструкции топологии заказных кмоп бис с одним слоем металлизации
На рис. 3 приведена электрическая схема одноступенчатого D-триггера комбинированного типа с двумя входами, а на рис. 4 - фрагменты электрической схемы и топологии D-триггера (только n-канальные транзисторы) по 3-мкм проектным нормам с одним слоем Al металлизации. Рассматриваемый триггер состоит из двух проходных ключей на четырех транзисторах VT1-VT4, инвертора на транзисторах VT5-VT6 и динамического ключ-инвертора на выходе на транзисторах VT7-VT10. На рис. 5 приведена топология D-триггера (M1, M2, M3, M4, M5 - одинаковая нумерация затворов для n- и p-канальных транзисторов дана для того, чтобы выделить комплементарную пару), используемого в кристалле микро ЭВМ серии К1868 (зарубежный аналог MN1550).
Рисунок 3. Электрическая схема D-триггера комбинированного типа, тактируемого уровнем
Рисунок 4. Фрагменты электрической схемы (а) и (в) и фрагменты топологии D-триггера (б) и (г)
Изучая топологию D-триггера, видим, что проходные ключи (транзисторы VT1-VT4) имеют примерно одинаковое отношение W/L (размеры L и W n- и p-канальных МОП-транзисторов берутся равными минимально допустимыми для 3-мкм проектных норм). Их задача - пропустить сигнал без искажения фронтов, за время действия синхроимпульса. Особенность таких ключей: работа в однонаправленном режиме, схемы должны быть быстродействующими, ключи не имеют контактов к шинам Питание и Земля.
Логический элемент на комплементарных транзисторах VT5-VT6 (затворы M3) выполнен с разными отношениями W/L p- и n-канальных транзисторов, по правилам проектирования обычного инвертора (W различны с учетом компенсации подвижности электронов и дырок, а длина канала L n- и p-канальных МОП-транзисторов берется равной минимально допустимой длине для 3-мкм проектных норм). Динамический ключ - инвертор на транзисторах VT7-VT10 (затворы М1-М2) - имеет наибольшее значение отношения W/L, с учетом токов коммутации, текущих через комплементарные транзисторы VT7, VT10 (затворы М1), для включения логического элемента на транзисторах VT8, VT9 (затворы М2). Динамические ключи имеют контакты к шинам Питание и Земля.
При подаче синхроимпульсов они коммутируют (передают) на истоки транзисторов VT8, VT9 напряжения VDD и VSS, так что сложная связка транзисторов VT7-VT10 превращается в обычный инвертор. У правильно построенных транзисторов затворы (поли-Si) перекрывают ионно-имплантированные области с небольшим избытком, например, затвор M1 n-канального транзистора VT7 перекрывает с избытком n-область (рис. 4г). В противном случае, эффективность запирающего сигнала будет частично утеряна.
Например, если на желтом проводнике нуль, который должен запереть желто-красную область, красный проводник не будет полностью заблокирован, так как ток может обойти стороной запирающую желтую область. Даже если желтый проводник полностью перекрывает красную область, но не имеет запаса в области перекрытия, неопределенности, связанные с производством, фактически могут привести к его укорачиванию. Избыток на желтом слое в области пересечения с красным слоем гарантирует надежное перекрытие даже в расплывающемся изображении. Вторая особенность - это то, что синяя и красная области для предотвращения возникновения тока утечки между n- и p-канальными транзисторами имеют некий минимальный зазор. Как правило, эту область используют для прокладки токопроводящих дорожек, в данном случае это поликремниевые тактовые шины NC и C (рис. 5). Кроме того, n- и p-области отделяются друг от друга охранными кольцами противоположного типа проводимости. Охранное кольцо p-типа заводится на шину Земля, а n-типа - на шину Питание. Смещение n-канальных транзисторов достигается следующим способом (рис. 5). Рисунок 5. Топология D-триггера по КМОП-технологии: IN1, IN2 - сигнальные входы; NC, C, NC1, C1, NC2, C2 - тактовые входы; OU, NOU - выходной сигнал высокого и низкого уровня, соответственно; 1, 2, 3, 4, 5 - затворы p- и n-транзисторов
Охранное кольцо p-типа, локальная область p+ под контакт к p-карману, истоковая n-область МОП-транзисторов с помощью контактов и Al-металлизации подключаются к шине Земля. Для этого используют 5 контактов: один к охранному кольцу, один к локальной области под контакт к карману, три - к истоковой области n-МОП транзисторов. Смещение p-канальных транзисторов достигается следующим способом (рис. 5).
Охранное кольцо n-типа, локальная область n+ под контакт к n-подложке, истоковая p-область МОП-транзисторов с помощью контактов и Al-металлизации подключаются к шине Питание. Для этого используют 5 контактов: один к охранному кольцу, один к локальной области под контакт к карману, три - к истоковой области p-МОП транзисторов.
"Простые" логические элементы типа: инвертора, И-НЕ, (3)И-НЕ, ИЛИ-НЕ, (3)ИЛИ-НЕ - могут не иметь контактов к охранным кольцам, а "составные" типа D-триггеров и периферийных ячеек, например, инвертор с третьим состоянием, - имеют контакты ввиду повышенных паразитных токов утечек.
Проходные ключи в ядре БИС используются только в однонаправленном режиме. Для рассматриваемой технологии с p-карманом они формируются по следующему правилу: исток n-канального транзистора соединен с истоком p-канального и, наоборот, сток n-канального соединен со стоком p-канального (рис. 3 и 4).
В данной топологии D-триггера выход NOU (затвор М3, стоковая область транзистора VT6) и вход IN2 (затвор М4, истоковая область транзистора VT2) конструируются p-областью, а выход OU (узел А, затвор М3 транзистора VT6) и вход IN1 (затвор M5, истоковая область транзистора VT4) - поликремниевым.
Таким образом, ячейка D-триггера спроектирована так, что ее интерфейс (входы, выходы), за исключением тактовых сигналов, находится со стороны p-канальных МОП-транзисторов. Это позволяет размещать топологические ячейки в ряды. Образующиеся строки со стороны p-канальных транзисторов используются для прокладки сигнальных проводников (входные и выходные сигналы), причем в строках используются три вида проводников: металл, поли-Si, p+-область, которые могут пересекаться между собой, не образуя электрических соединений.
Обратная связь в топологическом представлении реализована физическим контактом (стоки транзисторов проходных ключей транзисторов VT1-VT4, стоки транзисторов VT8, VT9). Далее с помощью Al-металлизации, двухконтактных окон к затворам M3 транзисторов VT5, VT6 и трех к p- и n-области стоков транзисторов проходных ключей и стоков транзисторов VT8, VT9.
На рис. 6 приведена топология двухтактного D-триггера (разряд счетчика без занесения данных), используемого, например, в двоичных 4-разрядных счетчиках. Электрическая схема D-триггера показана на рис. 7.
Для данного триггера предусмотрен вспомогательный вход Set (установка), предназначенный для прямой установки триггера, и обозначается буквой S.
Рисунок 6. Топология статического двухтактного D-триггера с асинхронным входом S
Рисунок 7. Электрическая схема статического двухтактного D-триггера с асинхронным входом установки Set
Список Литературы
Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986. 453 с.
Холтон У.С. Перспективы развития КМОП-технологии // ТИИЭР. 1986. Т. 74. ╧ 12. С. 56√83.
Браун Д.М., Геццо М., Пимбли Дж.М. Направления перспективной технологии: Субмикронные КМОП-схемы и их технология // ТИИЭР. 1986. Т. 74. ╧ 12. С. 93√120.
Проектирование специализированных КМОП БИС на основе БМК 5501ХМ2. Уч. Пособие / Под ред. В.В. Ермака. М.: МГИЭТ (ТУ), 1996. 180 с.
Емельянов В.А. Быстродействующие цифровые КМОП БИС. Мн.: Полифакт, 1998. 326 с.