ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

170

лекторов управляющих МКТ на базе Б (см. рис. 2.81) нагрузочного МКТ позволяет реализовать функцию 3И-НЕ на его разветвленном многоколлекторном выходе. Важно, чтобы каждый коллектор схем соединения МКТ подключался только к одной нагрузке (базе). Таким образом, n-коллекторный транзистор с m- выводами от базы представляет собой логический элемент И-НЕ с коэффициентом объединения по входу, равным m, и с нагрузочной способностью, равной n.

Если входные сигналы поступают от внешних схем, функцию И осуществить сложнее, так как необходима электрическая развязка входов. На рисунке 2.82 изображена схема для двух переменных реализованная на четырех одноколлек-

торных инжекционных транзисторах, применяемых только для развязки. Операция 2И осуществляется простым объединением коллекторов транзисторов VT3, VT4. Для т переменных требуется 2m транзисторов.

Логическое состояние инвертора однозначно характеризуется его выходным током (большой ток — включенное состояние или логический «0», отсутствие тока — выключенное состояние или логическая «1»). Напряжение логического «0» определяется самим инвертором (управляющим транзистором в режиме насыщения), а напряжение логической «1» — его нагрузкой (напряжением на эмитгерном переходе, смещенном в прямом направлении). При монтажном соединении коллекторов нескольких транзисторов напряжение логического «0» в узле не позволяет однозначно определить состояние конкретного управляющего транзистора, так как включенным может быть любой из параллельноподключенных транзисторов.

171

Для представления состояний цифрового устройства, содержащего несколько МКТ, удобно пользоваться таблицами состояний, примером которой является таблица. 2.7. Таблица соответствует устройству, показанному на рисунке 2.84.

Таблица 2.7

В таблице указаны логические уровни на базе каждого транзистора (Б1, Б2) и на выходах устройства Y3 и Y4. Высокий логический уровень на базе обеспечивается самим транзистором за счет инжекционного питания при разомкнутых входах устройства (для баз Б1 и Б2) или при выключении всех транзисторов, подсоединенных к базе рассматриваемого транзистора. Низкий логический уровень на базе данного транзистора поддерживается предыдущими транзисторами, которые по отношению к рассматриваемому являются управляющими. Поэтому для облегчения анализа работы устройства в тех графах табл. 2.7, где стоит логический «0», в знаменателе указан номер управляющего транзистора, поддерживающего низкий уровень напряжения на базе нагрузочного транзистора. Так, запись в строке Б4 0/1,2 означает, что низкий уровень на базе Б4 в этом состоянии обеспечивается одновременно транзисторами VT1 и VT2. Знак X (неопределенное состояние) показывает, что выходной уровень определяется нагрузками, присоединенными к выходам Y3 или Y4.

Как отмечалось ранее при обсуждении конструкций МКТ, уровни напряжений логических состояний элементов И2Л определяются напряжением спрямления эмиттерно-базового перехода транзистора и напряжением между коллектором и эмиттером МКТ в состоянии насыщения.

172

Уровень напряжения U1 для кремниевых структур равен (0,6–0,7) В. Уровень напряжения U0 не превышает (0,1–0,2) В. Учитывая, что выходы элементов И2Л фактически являются открытым коллекторным выходом транзистора, они могут подключаться для управления входами элементов ДТЛ и ТТЛ без дополнительных элементов согласования уровней (при условии соответствия выходных токов И2Л входным токам ДТЛ или ТТЛ).

Работа переключения элементов И2Л в основном определяется затратами энергии на перезаряд емкости эмиттерного перехода МКТ и может быть оценена по формуле

А≈ Uи ∆U Cэ/(2 αin), (2.143)

где Uи, ∆U — прямое напряжение на инжекторном переходе и перепад логических уровней напряжения элемента соответственно;

Сэ — емкость эмиттерного перехода.

По формуле (2.143) весьма прозрачно определены возможные направления снижения работы переключения через снижение уровней напряжений и площади эмиттера. Количественные значения работы переключения элементов И2Л не имеют равных среди иных схемных организаций, достигая (0,1–0,5) пДж при времени переключения (5–20) нС. Дальнейшее улучшение параметров элементов И2Л достигается при использовании в их конструкциях диодов Шоттки.

2.19.6 Элементы И2Л с диодами Шоттки

Использование диодов Шоттки в логических ячейках с инжекционным питанием позволяет уменьшить логический перепад и работу переключения, расширить логические возможности элементов. За счет этого сокращается число объединяемых элементов при построении более сложных устройств и повышается их степень интеграции. С уменьшением числа элементарных ячеек в сложном устройстве снижается полное время задержки сигнала.

Три схемных разновидности логических ячеек с диодами Шоттки изображены на рисунке 2.84.

В двух первых схемах диоды создаются к области коллектора вертикального n-р-n-транзистора. Для этого используется специальный технологический процесс, позволяющий уменьшить концентрацию примесей в коллекторе. В третьей схеме диоды

173

создаются к области р-базы. При этом для изготовления вертикального n-р-n-транзистора применяется специальная технология, обеспечивающая уменьшение концентрации примесей в базе. Таким образом, все известные логические ячейки с диодами Шоттки не могут быть созданы по стандартной биполярной технологии и требуют специальных технологических процессов.

Перспективность применения МКТ с диодами Шоттки в базе (см. рис. 2.84, в) для построения функциональных устройств, в сравнении с МКТ без диодов Шоттки, демонстрируется топологическими вариантами исполнений, изображенными на рисунке 2.85. На рисунке 2.85, а изображена функциональная группа в ба-

в

Рисунок 2.85

174

зисе логических элементов И с инверсией и без инверсии. На рисунках 2.85, б и 2.85, в изображены топологические конфигурации этой функциональной группы на МКТ без диодов Шоттки и с диодами Шоттки в базах соответственно. Монтажное объединение коллекторов разных МКТ реализует операцию И сигналов с объединяемых коллекторов. Благодаря этому и допустимости параллельного соединения катодных входов диодов разных транзисторов упрощаются топологические конфигурации исполнения функциональных схем. Входные логические элементы И-НЕ функциональной схемы заменяются на МКТ с числом диодов на базе, равным числу входов логического элемента. Выходные логические элементы И реализуются монтажными соединениями коллекторов соответствующих МКТ. Сопоставление изображенных на рисунках топологий показывает, что для рассматриваемой функциональной группы число транзисторов и занимаемая площадь с применением МКТ с диодами Шоттки в базе сокращается в два раза.

Для примера в экспериментальных логических элементах диоды Шоттки характеризовались напряжением спрямления 0,18 В при прямом токе 1 мкА и допустимым обратным напряжением 2,2 В при том же токе. При токе базы 10 мкА ток базы одноколлекторного n-p-n-транзистора достигал 15 единиц при напряжении пробоя перехода эмиттер-база, равном 4 В, с обратным током 1 мкА. Коэффициент передачи от инжектора к базе αin при токе инжектора, равном 10 мкА, составил 0,91. Применение диодов Шоттки, снижая логический перепад, удельную емкость эмиттерного перехода, в сочетании с применением инжектора вертикальной структуры обеспечивало снижение работы переключения элемента до (0,02–0,05) пДж при времени переключения (2–5) нС, что, в свою очередь, не является пределом.

Применение элементов И2Л с приборами Шоттки (и без них), как и элементов МЭСЛ, оправдано лишь при повышенных степенях интеграции, с тем чтобы основной массив логических элементов на кристалле был задействован на функциональных устройствах цифровых преобразований. В этом случае снижение быстродействия и увеличение энергопотребления вследствие применения согласующих усилителей мощности в обрамлении

175

функциональных устройств может быть не столь заметным в целом для функционального устройства, размещенного на кристалле.

Элементы И2Л на рисунках 2.81 — 2.85 показаны без инжекторов и размерных цепей. При назначении размеров областей МКТ, инжекторов и их взаимного расположения при проектировании топологии отдельных элементов и их массивов следует пользоваться техническими решениями и расчетными оценками, приведенными в параграфах 2.15.3, 2.15.5.

2.20 Кристаллы ИС

2.20.1 Введение

Топологические конфигурации элементов ИС составляют часть состава топологических объектов, размещаемых на кристаллах. Элементы ИС подлежат соединению в пределах кристалла и потому значительную часть площади кристалла занимают проводные связи элементов. Площадь, занятая проводными связями элементов, зависит от размещения и ориентации радиоэлементов в топологическом пространстве кристалла и размещения соединительных проводников. Приемлемой является топология, в которой площадь проводных соединений и защитных зазоров сравнима с площадью, занятой элементами ИС, или превышает ее не более чем в 2—3 раза. Естественным считается стремление минимизировать размеры области кристалла, занятой элементами и их соединениями. От размеров кристалла зависит его стоимость, так как при уменьшении площади кристалла увеличивается число кристаллов, размещаемых на общей технологической пластине, и повышается процент выхода годных кристаллов из-за снижения вероятности попадания точечных дефектов пластины на топологическую конфигурацию элемента ИС.

Наряду с площадью, занятой элементами и их соединениями, на кристалле выделяются области специального и технологического назначения. К областям специального функционального назначения следует отнести:

– область размещения контактов для внешнего электромонтажа кристаллов;

176

–область перехода от функциональных элементов и их соединений к контактам внешнего электромонтажа (буферная область).

Последняя из названых областей не всегда предусматривается, но может быть необходимой для размещения дополнительных элементов защиты входов и исполнения переходных соединительных участков «плавного» согласования плотности тока между радиоэлементами области их размещения и контактными площадками внешнего монтажа кристаллов (см. «токорастекате-

ли» на рис. 2.69).

Технологические области предназначены для размещения топологических фрагментов, не связанных функциональными элементами ИС, но предназначенных для применения в процессах производства кристаллов и их монтажа в корпусах и конструкциях последующих иерархических уровней.

К числу таких областей относятся:

–область,выделеннаяподразделениепластинынакристаллы;

–область размещения фигур совмещения на кристалле;

–область размещения тестовых топологических конфигу-

раций;

–область размещения маркировки и иных атрибутов кри-

сталла.

На области разделения пластины на кристаллы удаляется изолирующий защитный слой (слой окисла на кремнии), с тем чтобы не нарушить его целостность как диэлектрика из-за возможного образования трещин при механическом разделении пластины. Ширина этой области определяется точностью оборудования позиционирования линии разделения и может варьироваться от 50 до 200 мкм между смежными кристаллами.

Размеры области размещения фигур совмещения на кристалле зависят от их числа, формы

иразмеров фигур. На рисунке

177

рисунке отмечена граница защитного окисла на поверхности кристалла.

Фигуры совмещения 1 (см. рис. 2.86) необходимы для совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев или соответствия результатов совмещения слоёв на кристалле для выбраковки дефектных кристаллов по результатам визуального или оптического контроля.

Расстояние между контурами внешней 1 и вложенной 5 формами фигур совмещения согласно рисунку 2.86 принимается равной минимально допустимому расстоянию 6 между смежными границами совмещаемых слоёв. На рисунке 2.86 поз. 2 обозначает погрешность формирования внешней формы, поз. 4 обозначает погрешность внутренней формы фигур совмещения. Число фигур на единицу меньше количества операций фотолитографии, использо-

ми совмещаемых слоёв для контроля поворотных смещений совмещаемых шаблонов. Фи-

гуры совмещения относятся к технологическим объектам кристалла, поэтому в конструкторской документации их форма может не задаваться, а резервируется область (зона) кристалла под размещение фигур совмещения.

Тестовые элементы (резисторы, диоды, транзисторы и пр.) могут быть включены в состав кристалла для контроля результатов технологических операций по электрофизическим характеристикам отдельных слоев транзисторных структур или для контроля результатов всего технологического маршрута. Так, о результатах операции базовой диффузии можно судить по сопротивлению тестового резистора, а результаты технологического процесса в целом дают измерения параметров тестового транзи-

178

Рисунок 2.88

стора. В последнем случае с помощью зондов путем задания набора тестовых сигналов можно получить информацию о таких рабочих характеристиках транзистора, как напряжение пробоя р- n-переходов, коэффициент усиления, ток утечки и т.д. Для улучшения условий доступа к контрольным точкам тестовые фигуры с кристаллов ИС могут выноситься на специальные тестовые кристаллы (см. рис. 2.88), где компонуются исключительно тестовые топологические конфигурации радиоэлементов, отдельных функциональных групп и фрагментов структуры ИС [1]. Тестовые кристаллы равномерно (см. рис.

2.89) распределяются по площади пластины и, по существу, являются свидетелями технологических отклонений в обработке пластины и позволяют проводить как межопе-

179

рационный тестовый, так и функциональный контроль микросхем на пластине, еще не разделенной на кристаллы.

Статистические методы обработки результатов позволяют по данным тестового контроля составлять объективную оценку технологических операций и маршрутов, прогнозировать процент выхода годных микросхем и т.д.

Элементы маркировки являются атрибутами идентификации функции назначения кристалла и, возможно, принадлежности конкретной пластине, даты исполнения. Элементы маркировки формируются в верхнем технологическом слое структуры последней литографической обработкой в форме символьных записей. Размер шрифта маркировочных записей принимается сопоставимым с размерами фигур совмещения. Место под маркировку на кристалле отводится в специально выделенных разрывах зоны контактных площадок внешних подключений кристалла.

Полезными сервисными элементами топологии верхнего слоя структуры кристалла следует считать явные символьные обозначения номеров контактных площадок на краях их рядов и функциональных групп элементов.

Ключ — это какая-либо конструктивная особенность первой или иной контактной площадки или специальный знак на кристалле, позволяющие определить порядок счета внешних контактов кристалла (если номера площадок явно не позиционированы). Это необходимо для правильной ориентации кристалла при размещении его в корпусе и в процессах функционального контроля, электромонтажа. Для топологии, изображенной на рис. 2.69, ключом является специфичная геометрия первой контактной площадки с двумя «токорастекателями», тогда как для топологии изображенной на рис. 2.70 ключом является крестообразная отметка (часть фигуры совмещения).

2.20.2 План кристалла

Перечисленные области определенным образом компонуются на кристалле, составляя основу плана кристалла. На рисунке 2.90 изображен один из вариантов плана кристалла, где рабочая зона компоновки радиоэлементов отмечена позицией 5. Границы кристалла после разделения пластины соответствуют линиям скрай-