2.Проектирование мдп-имс

2.1.Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности

Интегральные микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-ИМС) в настоящее время получили очень широкое распространение для создания устройств со средней и высокой степенями интеграции. К устройствам со средней степенью интеграции относятся широко используемые регистры, счетчики, сумматоры, а к устройствам с высокой степенью интеграции – постоянные и оперативные запоминающие устройства, электронные калькуляторы, микропроцессоры, аналого-цифровые, цифроаналоговые преобразователи и другие. Важное преимущество МДП-ИМС связано с технологией их изготовления, которая позволяет с меньшими затратами средств по сравнению с биполярной технологией изготовлять гораздо более сложные схемы. МДП-ИМС имеют сравнительно простую конструкцию, обеспечивают получение высокого процента выхода годных схем и не требуют дополнительной изоляции элементов в схеме. Геометрические размеры МДП-транзисторов значительно меньше по сравнению с биполярными транзисторами, что позволяет существенно повысить степень интеграции. Современные МДП-ИМС содержат до 100000 элементов на одном кристалле, причем существует выраженная тенденция к дальнейшему повышению степени интеграции.

В дальнейшем под МДП-ИМС будем понимать полупроводниковую, обычно кремниевую, подложку с определенным набором соответствующим образом соединенных активных и пассивных элементов со структурами типа металл-диэлектрик-полупроводник.

В некоторых устройствах МДП-ИМС могут содержаться также биполярные активные элементы.

Свойства интегральных микросхем в значительной степени определяются свойствами используемых в них активных элементов. МДП-транзисторы по своим свойствам дополняют биполярные транзисторы, поэтому МДП-ИМС обычно применяют не вместо биполярных ИМС, а наряду с ними. Сравнительная оценка основных характеристик и параметров биполярных и МДП-ИМС приведена в табл. 3.1.1.

Таблица 3.1.2

Сравнительная оценка характеристик и параметров биполярных и МДП-ИМС

Характеристика и параметр	Биполярные ИМС	МДП-ИМС
Площадь, занимаемая транзистором на подложке (среднее значение), мкм2	2600–3800	130–200
Площадь, занимаемая схемой (среднее значение), мм2	1,25–1,23	1,5–2,2
Максимальная степень интеграции (число элементов на одном кристалле)	(2–5)∙104	(1–5)∙105
Быстродействие, МГц	1–50	1–20
Потребляемая мощность, мВт	5–50	5
Задержка распространения, нс	5–20	30
Помехоустойчивость, В	0,08–0,75	1,5–5
Нагрузочная способность	25	50
Технология изготовления:
а) количество диффузионных процессов	3–4	1–3
б) количество фотолитографических процессов	6–8	6–10

Как видно из табл. 3.1.1, использование МДП-транзисторов позволяет реализовать полупроводниковые ИМС с более сложными электрическими функциями при одинаковых площадях исходных кремниевых подложек. С помощью МДП-транзисторов достигаются наивысшая сложность и плотность компоновки элементов, дешевизна при больших объемах производства, малая потребляемая мощность. Кроме того, в МДП-ИМС обычно используются только одна или две разновидности элементов, электрические свойства которых можно изменять путем изменения геометрической конфигурации соответствующего прибора.

Важные преимущества МДП-ИМС связаны с технологией их изготовления.

Из анализа технологических процессов изготовления биполярных и МДП-ИМС следует, что биполярная технология примерно на 30% сложнее МДП-технологии. При использовании МДП-технологии существенно уменьшается число необходимых технологических операций, особенно операций высокотемпературной диффузии. Поэтому выход годных МДП-ИМС значительно превышает выход годных биполярных полупроводниковых ИМС той же функциональной сложности.

По сравнению с биполярной технологией МДП-технология позволяет получить, по крайней мере, три преимущества.

Во-первых, поскольку технологический цикл включает меньшее число операций фотолитографии, диффузии и травления, уменьшается суммарный допуск на эти операции. Таким образом, на перечисленные допуски расходуется меньшая площадь МДП-ИМС.

Во-вторых, в отличие от активных биполярных структур реализация МДП-структур не требует формирования изолирующих р-n-переходов или локальных областей, изолированных диэлектриком. Так, например, в конструкции биполярных полупроводниковых ИМС, элементы которых изолированы р-n-переходами, области изоляции могут занимать до 30% активной площади, так как для них характерна большая ширина диффузионных линий, образующихся в течение длительного диффузионного процесса, необходимого для формирования глубоких изолированных областей.

В-третьих, МДП-технология дает возможность использовать два слоя межэлементных соединений, хотя на один из них и накладываются некоторые ограничения. Второй слой межэлементных соединений формируется непосредственно в процессе создания МДП-структур из диффузионных соединительных линий с электропроводностью п- или р-типа, называемых туннелями. Удельное поверхностное сопротивление туннелей может достигать 100 Ом/□. В отличие от биполярных ИМС, работающих при сравнительно больших токах, такое высокое сопротивление межэлементных соединений вполне допустимо для многих типов МДП-ИМС, так как через них обычно проходят небольшие токи.

Следующим преимуществом МДП-ИМС является стоимость на реализацию одной схемной функции, которая оказывается ниже, чем у биполярных ИМС. Это обусловлено меньшей площадью используемой подложки, т.е. более высоким процентом выхода годных схем. Малые размеры МДП-ИМС определяются малой площадью, занимаемой одной МДП-структурой (около 6∙10^-4 мм²), и использованием МДП-структур в качестве высокоомных резисторов вместо относительно крупногабаритных диффузионных резисторов. Площадь МДП-ИМС обычно составляет не более 20% от площади, занимаемой биполярными полупроводниковыми ИМС той же функциональной сложности. Малые размеры МДП-ИМС по сравнению с биполярными схемами связаны также с тем, что для реализации схемных функций требуется меньшее число элементов и контактов между кремниевой подложкой и напыляемой металлической пленкой. По мере усложнения устройства это достоинство МДП-ИМС становится все более существенным.

Преимуществом МДП-ИМС является также возможность обеспечения лучших характеристик реализуемых на их основе устройств. Благодаря этим свойствам на МДП-ИМС в настоящее время можно разрабатывать и изготовлять с приемлемыми затратами системы, которые ранее являлись неэкономичными. В частности, вполне рентабельным стало изготовление систем, которые невозможно было реализовать с учетом заданных ограничений на размеры из-за состояния технологии изготовления биполярных ИМС, методов сборки и конструктивного оформления, потребляемой мощности и массы. Кроме того, для МДП-ИМС характерна более высокая надежность. Однако практическая реализация всех этих преимуществ требует внесения значительных изменений в методы расчета схем для преодоления ограничений, налагаемых современной МДП-технологией.

Очень важная особенность МДП-ИМС заключается в том, что при их разработке можно использовать новые степени свободы. Например, можно спроектировать либо высококачественную схему без повышения ее стоимости, либо относительно дешевую схему без снижения ее рабочих характеристик. Поскольку МДП-транзистор занимает незначительную часть исходной подложки, активные приборы можно размещать практически в любой ее части. Кроме того, высокое входное сопротивление МДП-транзистора позволяет получить в МДП-ИМС высокий коэффициент разветвления по выходу. Оба эти фактора в совокупности дают возможность реализовать на одной подложке большое число различных схемных функций.

С помощью МДП-технологии удается получить высокую помехоустойчивость схем. Благодаря сравнительно высокому напряжению включения, или пороговому напряжению МДП-транзистора, можно получить в диапазоне рабочих температур запас помехоустойчивости более 1 В. МДП-транзистор пригоден для использования в динамических схемах, так как его затвор, являющийся по существу высококачественным конденсатором, служит в качестве элемента временной памяти для входных данных. Поскольку МДП-транзистор может проводить ток в любом направлении, т.е. обладает свойством двунаправленности, с его помощью можно передавать данные путем зарядки и разрядки накопительных конденсаторов в узлах МДП-ИМС. Способность хранения и передачи заряда позволяет использовать тактируемые нагрузочные приборы, для которых характерны небольшое потребление мощности и малые геометрические размеры.

Существенной рабочей характеристикой МДП-ИМС является их надежность. Более высокая надежность МДП-ИМС по сравнению с биполярными ИМС в первую очередь связана с меньшими размерами элементов. Кроме того, малые размеры и небольшая потребляемая мощность даже достаточно сложных МДП-ИМС дают возможность широко применять резервирование или мажоритарную логику, что способствует дальнейшему повышению надежности. Однако главная причина повышения надежности МДП-ИМС обусловлена значительным уменьшением числа межэлементных соединений.

Наконец, еще одной особенностью МДП-ИМС, связанной как с экономическими, так и с рабочими характеристиками, является относительная простота их разработки и обеспечения заданных параметров. Иначе говоря, при проектировании МДП-ИМС велика вероятность удовлетворения требований технического задания с первой попытки. Это обеспечивается стабильностью и тщательностью разработки технологического процесса. Обычно для получения заданных рабочих характеристик достаточно лишь изменить топологию МДП-транзисторов. Если указаны параметры, обеспечиваемые данным технологическим процессом, и известно техническое задание на МДП-ИМС, то сравнительно просто могут быть определены необходимые размеры МДП-транзисторов. Дополнительную гарантию получения заданных рабочих характеристик дает широкое использование автоматизации процесса проектирования МДП-ИМС.

На основании перечисленных особенностей МДП-ИМС можно заключить, что основными перспективными направлениями в их разработке являются:

1. быстродействующие схемы на динамических элементах с высокой функциональной сложностью и малой потребляемой мощностью;

2. микропроцессоры с низким быстродействием и высокой плотностью компоновки;

3. крупномасштабные и среднемасштабные статические маломощные и радиационно стойкие схемы на комплементарных МДП-транзисторах.

Для понимания процессов, обеспечивающих принцип действия и преимущества МДП-ИМС, следует рассмотреть особенности МДП-структур, на основе которых реализуются многочисленные схемные функции. В настоящее время в МДП-технологии используются две разновидности активных приборов, к которым относятся различные типы МДП-транзисторов, а также приборы с зарядовой связью (ПЗС).