ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

210

рукцию параметрами. Первичные параметры структуры и топология прибора принимаются в соответствии с предельными ограничениями технологии производства по таким параметрам, как:

–концентрации примесей в пластине;

–толщины слоев стока и истока;

–толщина и электрофизические параметры подзатворного диэлектрика;

–концентрация поверхностных состояний в диэлектрике и полупроводнике на границе раздела;

–среднее значение подвижности носителей заряда в формируемых каналах;

–минимальные топологические размеры в формировании областей контактов к электродным областям затвора, стока и истока;

–минимальная длина области канала.

В результате отработки технологии формируются структур- но-топологические образцы приборов, для которых прямыми или косвенными методами измеряются функциональные параметры (или производятся расчетные оценки по измеренным первичным параметрам структуры). К числу измеряемых могут быть отнесены либо все параметры, перечисленные в параграфе 3.4, либо часть из них. Обязательным является контроль:

–порогового напряжения;

–сопротивления канала при выбранном запасе по открыванию транзистора относительно порогового напряжения;

–тока насыщения для стока при выбранном запасе по открыванию транзистора относительно порогового напряжения;

–толщины слоя подзатворного диэлектрика и предпробойного напряжения;

–поверхностной концентрации и профиля распределения примесей в слоях стока и истока.

По перечисленным параметрам структуры и по известным топологическим размерам доопределяются необходимые функциональные параметры транзистора. Методом масштабного подобия корректируются концентрации примесей в стоке и истоке, толщина подзатворного диэлектрика и топологические размеры для согласованного приведения конструкции транзистора в соответствие с предъявляемыми требованиями.

211

В другом функциональном применении размеры топологических конфигураций МДП-транзисторов определяются их рабочими токами и напряжениями. Для таких применений может быть рекомендована следующая методика:

–выбирается или принимается структурный вариант исполнения транзистора (тип проводимости канала, встроенный/ индуцированный, вариант формирования длины канала, материалы затворной пары «затвор — диэлектрик»);

–определяются по рабочему напряжению концентрации примесей в подложке, в стоке и истоке и толщина подзатворного диэлектрика;

–оценивается с корректировкой концентраций примесей и толщины подзатворного диэлектрика в допустимых по рабочему напряжению пределах и согласуется с требуемым пороговым напряжением транзистора;

–оценивается удельная емкость затвора и усредненная подвижность носителей в канале;

–оценивается по рабочему току отношение ширины канала

кего длине;

–оценивается крутизна транзистора;

–оценивается сопротивление канала на крутом участке выходных ВАХ;

–определяются, с учетом технологических ограничений на формирование плоскостных размеров, размеры областей стока, истока, затвора, перекрытий электродных областей;

–определяются элементы схемы замещения транзистора и оценивается время переключения транзистора.

На каждом из перечисленных переходов принимается решение о приемлемости результата, возможности корректировки, при необходимости, исходных величин или прекращения проектирования из-за несоответствия результатов предъявленным требованиям.

3.2 Элементы цифровых ИМС на МДП-транзисторах

3.2.1 Введение

В основу разнообразных схемотехнических построений цифровых интегральных микроэлектронных устройств на МДП-

212

транзисторах положено построение инвертирующего вентиля. Большая величина входного сопротивления МДП-транзистора и свойство исполнять функцию управляемого сопротивления определили специфику схем построений МДП-вентилей:

–в качестве нагрузки вентиля применяется нелинейная нагрузка в виде МДП-транзистора;

–логические отношения на МДП-транзисторах реализуются последовательными и параллельными включениями переключающих транзисторов;

–высокоомные входы МДП-транзисторов следует предохранять от воздействий источников статического электрического заряда;

–в структурах с МДП-приборами с индуцированными каналами не следует допускать образования непредусмотренных каналов под проводными соединениями.

В качестве нелинейной нагрузки в МДП-инверторах применяются:

–МДП-транзисторы одного типа канала с типом канала переключающего транзистора;

–МДП-транзисторы дополняющего (противоположного) типа

канала.

Для инверторов с одним типом канала нагрузочный транзистор может применяться индуцированным и встроенным каналом. Возможны модификации выбора режима работы нагрузочного транзистора, обеспечивающие исключение закрытого состояния, когда нагрузку инвертора можно считать квазилинейной. Этот режим аналогичен применению в качестве нагрузочного МДП-транзистора со встроенным каналом. При квазилинейной нагрузке переходный процесс переключения инвертора протекает ускоренно при пониженных эквивалентных постоянных времени.

Высокооомность входов МДП-инверторов и угроза образования непредусмотренных поверхностных индуцированных каналов обязывает вводить в конструкции дополнительные элементы, такие, как защитные диоды, охранные размыкающие кольца, утолщения диэлектрика под проводными соединениями;

213

3.2.2 Защита конструкций МДП-микросхем

Для зашиты МДП-приборов от воздействия статического электричества в процессе их производства и эксплуатации, а также для борьбы с паразитными каналами предусматриваются комментируемые далее решения [1].

Схема защиты входных цепей МДП-микросхем охранными диодами

изображена на рисунке 3.13. Диоды VD1 и VD2 показанные на рисунке, предназначены для предотвращения пробоя подзатворного диэлектрика под действием зарядов статического электричества.

Полярность заряда может быть

обоих знаков. Диоды VD1 и VD2 позволяют положительному зарядустекать через диод VD1, а отрицательному— через диод VD2.

При проектировании охранных диодов необходимо обеспечить допустимое напряжение пробоя р-n-переходов диодов (более 2Uип) и малые паразитные емкости. Первое требование выполняется использованием в качестве одной из областей диода VD1 низколегированной подложки, а для диода VD2 — низколегированной р-области. Второе требование выполняют минимизацией площади р-n-переходов.

Пример топологии и структуры охранного диода VD2 (защиты затвора транзистора VT2) изображен на рисунке

3.14 (поз. 9, 10).

Недостатками рассмотренной схемы защиты и конструкций охранных диодов являются снижение входного сопротивления МДП и появление входного тока утечки. При напряжениях Uвх > Uип следует ограничивать токи через входную цепь для ис-

214

ключения угрозы разрушения диодов.

Как отмечалось, положительный встроенный заряд в толстом окисле и положительный потенциал на алюминиевых шинах разводки создают условия для образования «паразитного» индуцированного n-канала в приповерхностных участках пластин кремния р-типа при низких (< 1017 см–3) уровнях легирования. Увеличение толщины диэлектрика над опасными участками не всегда возможно и не всегда гарантирует отсутствие паразитного канала.

Эффективным средством противодействия образованию сквозных паразитных каналов является формирование кольцевой

разитные каналы нарушают коммутационные связи 1, 2 взаимодополняющих транзисторов. Для исключения возможности формирования паразитных каналов вокруг обоих транзисторов сформированы охранные кольца (3) и (4). На р+-область охранного кольца (4) целесообразно подавать самый низкий потенциал, а на область охранного кольца n+-типа (3) — самый высокий потенциал, примененный в электропитании схемы.

По приведенному рисунку видно, что формирование областей охранных колец увеличивает число отдельных областей и, как следствие этого, увеличивает площадь транзисторов, снижает степень интеграции МДП-микросхем.

3.2.3 Логический инвертор с пассивной нагрузкой МДП

Логический инвертор на транзисторах с каналами одного типа прово-димости изображен на рисунке 3.16. Транзистор VTа выполняет функцию переключающего активного транзистора. Функцию нагрузочного резистора выполняет нагрузочный

215

транзистор VTн. Пороговые напряжения активного и нагрузочного транзисторов полагаются одинаковыми по знаку и равными по величине.

В инверторах Ез = Ес, как показано на рисунке, либо ЕЗ – Uо > Ес. При Ез = Ес максимальное выходное напряжение равно Ес – Uо, так как VTа закрыт, а VTн всегда работает на пологом участке характеристики и через него течет обратный ток транзи-

стора VTа. При Ез – Uo > Ес транзистор VTн работает — в крутой области ВАХ и максимальное выходное напряжение равно Ес. Обеспечение малого выходного напряжения, соответствующего лог. 0 (на входе высокое напряжение, соответствующее лог. 1), требует, чтобы в открытом состоянии сопротивление VTн было существенно больше сопротивления VTа, т.е. ba >> bн.

Если Ез = Ес (транзистор VTн работает на пологом участке ВАХ), передаточная характеристика инвертора разделяется на две области: Uвых > (Uвх – Uо) и Uвых < Uвх – Uo. В первой области оба транзистора работают на пологом участке ВАХ. Вследствие равенства токов транзисторов VTн и VTа,

ba (Uвх–Uo)2/2 = bн (Ec–Uвых –Uo)2/2.

Это равенство удобно преобразовать к нормированной форме вида

Во второй области на полoгом участке ВАХ работает только транзистор VTн. Условие равенства токов транзисторов

bа[(Uвх–Uо) Uвых–U2 вых/2] = bН (Ec–Uвых–Uo)2/2

с учетом принятых обозначений преобразуется к нормированной форме вида

Bвых=[1+m Bвх–√(1+m Bвх)2–1–m]/(1+m). (3.11)

На рисунке. 3.17 представлено семейство дополненных плавным соединением зависимостей, соответствующих соотношениям (3.9) и (3.11). По рисунку видно, что для снижения вы-

216

ходного напряжения Uвых необходимо увеличивать т. При заданном значении Ввх требуемое значение Ввых, соответствующее лог. 0 (Ввых минимально), обеспечивается выбором m = (10–40). Вариант, когда Eз=ЕС, имеет наибольшее распространение.

Если же Ез – Uo > ЕС (при этoм VTн всегда работает в крутой области ВАХ), можно — получить выражения, аналогичные (3.9) и (3.11).

При Uвых ≥ (Uвх–Uo)

(1 –Ввых1) (1–KВвых1) =m K Bвх1.

Аналогично при Uвых>(Uвх–Uo)

(1 –Ввых1) (1–K Ввых1) =m K [Bвых1 (2 Bвых1–Bвх1)], где Ввых1=Uвых/Ес; Bвх1=(Uвх –Uo)/Ес; K=Ес/[2 (Ез–Uo)–Ес).

Важными параметрами инвертора являются потребляемая мощность и быстродействие. Инвертор на одноканальных транзисторах потребляет энергию, когда открыты оба транзистора и на выходе низкий потенциал U0. Полагая Uвых ≈ 0 и режим работы VTн на пологом участке ВАХ, рассеиваемую мощность можно оценить по формуле

Р=bн Ec (Ec–Uo)2 /2.

Среднее значение мощности составляет половину от определяемой по приведенному выражению величины

Рср=bн Ec (Ec–Uo)2 /4.

Быстродействие МДП-

217

нагружен на аналогичный инвертор. Из рисунка следует, что Сс ≈ Сзин + Сипн +Ссп +

+ Сп + Сзи + Сзп +(√m+1)Сзс,

где Сзин, Сипн — емкости «затвор — исток» и «исток — подложка» нагрузочного транзистора;

Сип, Сзи, Сзп, Сзс — емкости «сток — подложка», «затвор — исток», «затвор — подложка», «затвор — сток» активного транзистора;

Сп — паразитная емкость монтажных соединений;

(√m+1) — коэффициент умножения емкости, определяемый усилением инвертора по напряжению в области переключения.

Емкости Сип, Ссп — это барьерные емкости переходов. Емкости Сзп, Сзин, Сзи, Сзс — это соответственно МДП-емкость затвора и емкости транзисторов, образуемые перекрытием затвора электродных областей стока и истока.

Длительность фронта переключения определяется зарядом емкости Сс через нагрузочный транзистор и определяется по формуле

Для уменьшения Аср необходимо уменьшать емкость Сс и напряжение питания (для чего необходимо снижать пороговое напряжение), т.е. уменьшать геометрические размеры транзистора и, что немаловажно, емкость Сзс, влияние которой определяется коэффициентом (√m+1). Для уменьшения Сзс целесообразно использовать МДП-транзисторы с самосовмещенной конструкцией затвора.

Минимальные геометрические размеры инвертора существенно зависят от минимально возможных значений размеров каналов (Zi, Li) Величина Li ограничена расширением слоя пространственного заряда в области канала, и при максимальной ширине слоя пространственного заряда минимальная длина кана-

218

Значение Lmin зависит от концентрации примесей в полупроводниковой пластине N и порогового напряжения Uо. Минимальная длина канала по фотошаблону с учетом технологических глубин d залегания переходов стока и истока Lmin1 = (Lmin + 2d) ≥ ≥ (3–5) мкм. Так как параметр m > 5, то ширина канала активного транзистора в несколько раз превышает его длину, тогда как длина канала нагрузочного транзистора аналогично в несколько раз превосходит его ширину. Для обеспечения технологической воспроизводимости выходных напряжений инвертора выбор минимальных размеров длины канала активного и ширины канала нагрузочного транзисторов согласуется с допустимой погрешностью исполнения этих размеров. Длину канала нагрузочного и ширину канала активного транзисторов далее можно определить при выбранном значении параметра m. Одним из критериев рационализации выбора размеров транзисторов инвертора является критерий минимизации суммарной занимаемой транзисторами инвертора площади. Суммарная площадь транзисторов инвертора в первом приближении представляется выражением следующего вида

Ss = Sa+Sн ≈ ZкaLкa +Zкн Lкн = Zкн (m L2ка/Lкн +Lкн),

из которого следует возможность минимизации площади и соответственно суммарной емкости топологии инвертора рациональным выбором размера Lкн. При прочих равных условиях минимум занимаемой площади и емкости достигается при выполнении следующих размерных отношений:

Lкн = Lка √m,

Zка = Zкн √m.

По выбранным значениям Lка и m определяется длина Lкн и минимальная площадь инвертора

Ss = 2 Zкн Lка √m.

Подстановкой минимально допустимых размеров Lка и Zкн определяются оставшиеся значения размеров транзисторов. Приведенные соотношения между размерами должны сохраняться независимо от рабочих токов активного транзистора.

На рисунке 3.19 приведена топология инвертора, схема которого изображена на рисунке 3.16 на транзисторах одного типа

219

проводимости при Ес=Ез. Непрерывными линиями показаны границы диффузионных областей истока и стока; штриховыми — границы тонкого окисла. При Ез = Ес соответствующие шины объединяются. Как видно из рисунка, сток транзистора VTа и исток транзистора VTн объединеныв однуобласть.

Рисунок 3.19

3.2.4 Логический инвертор с активной нагрузкой МДП

Всхеме инвертора, изображенной на рисунке 3.20, в качестве нагрузочного резистора в стоковой цепи переключающего транзистора VT2 включен транзистор VT1, переключаемый входным сигналом противофазно транзистору VT2.

Вотличие от инвертора с квазили-

нейной пассивной нагрузкой, где нагрузочный МДП-транзистор VT1 остается постоянно открытым при переключениях активного транзистора VT2 (см. рис. 3.16), в схеме рисунка 3.20 состояния транзисторной пары VT1, VT2 взаимно противоположны. При напряжении Uвх = Ез>Uо2, открывающем транзистор VT2, напряжение │Ес – Ез│< <│Uo1│ должно быть недостаточным для открывания нагрузочного транзистора VT1.

Обозначения Uo1, Uo2 соответствуют пороговым напряжениям транзисторов VT1, VT2. В приведенной схеме применеы транзисторы с индуцированными каналами разного типа проводимости. Такое схемное исполнение называют инвертором на взаимодополняющих транзисторах или на комплементарных парах транзисторов (КМДП структуры). Так как ток закрытого МДП-транзистора исчезающе мал, то рабочая точка открытого