книги / Микроэлектроника. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы

«JОQ ^

Рис. 2.22. Логический элемент ИЛИ—НЕ, сформированный на осно­ ве базовой ячейки с л-канальными полевыми транзисторами:

« — условное обозначение; б — принципиальная схема; в — топология

Рис. 2.21. Базовая ячейка БМК на л-канальных полевых тран­ зисторах с изолированным затвором:

Пример топологии логического элемента ИЛИ-НЕ сформированного из элементов ячейки, представлен на рис. 2.22. Заданная функция обеспечивается при соедине­ нии элементов ячейки алюминиевыми проводами, показан­ ными жирными линиями.

Конструкции кристаллов на основе КМОП-структур. БИС на основе КМОП-транзисторов, несмотря на достаточно сложную технологию производства, широко применяются в аппаратуре среднего и высокого быстродействия (такто­ вые частоты до 30—50 МГц) в тех случаях, когда основными являются требования малой потребляемой мощности и вы­ сокой помехоустойчивости:

В первых разработках БМК на основе КМОП-структур использовались подложки я-типа, в которых методом диф­ фузии формировались изолированные с помощью р-я-пере- хода /^-области (карманы). В я-подложке формировались

(рис. 2.23). За основу была принята хорошо освоенная в про­ мышленности технология р-канальных транзисторов с ме­ таллическими (алюминиевыми) затворами.

В современных конструкциях БМК используются р-под- ложки с я-карманами, в которых формируются р-канальные

Рис. 2.23. Структура БМК с КМОП-транзистораМи, сформированны­ ми в кристалле из полупроводникового материала я-типа:

Рис. 2.24. Четырехтранзисторная (а) и шеститранзисторная (б) ти­

повые базовые ячейки БМК на КМОП-транзисторах:

МОП-транзисторы. Это обусловлено стремлением получить максимальное быстродействие БИС. Обычно число /2-ка­

нальных ключей в составе БИС, определяющих предельную скорость обработки информации, значительно больше числа р-канальных. При формировании я-канальных транзисторов в карманах р-типа с достаточно высокой поверхностной кон­ центрацией примеси падает подвижность электронов и соот­ ветственно снижается быстродействие я-канальных ключей.

Так как поверхностная подвижность дырок примерно в 2,5—3 раза меньше поверхностной подвижности электро­ нов, то для получения одинаковых зарядных (р-АЮП) и разрядных (я-МОП) токов ширина канала Wup в р-каналь- ном транзисторе должна быть в соответствующее число раз больше ширины канала W*n в я-канальном транзисторе.

Для повышения плотности компоновки р-канальные транзисторы объединяются в группы и размещаются в од­ ном я-кармане, соединенном с источником питания.

Для устранения паразитных связей между однотипными полупроводниковыми областями КМОП-структур исполь­ зуются tv и р '-охранные кольца. Соединенные между со­ бой, эти кольца образуют шины питания и заземления. Истоки и стоки подключаются к шинам питания через окна в толстом окисле (см. рис. 2.25).

тг

Рис. 2.25. Топология и структура ячейки БМК на КМОП-тран- зисторах, изготовляемого по эпитаксиально-планарной тех­ нологии

т,

В настоящее время выпускаются КМОП БМК, содержа­ щие от 200 до 10 000 логических элементов. Ячейка матрицы кристалла содержит обычно набор из двух-трех л-канальных МОП-транзисторов, включенных последовательно, и двух­ трех р-канальных МОП-транзисторов (рис. 2.24), а также несколько диффузионных шин с контактными окнами. Та­ кой набор транзисторов определяется особенностями схемо­ техники типовых логических элементов.

Пример топологии ячейки БМК, в состав которой вхо­ дит пять КМОП-структур с металлическими затворами (па-

ра из двух и трех транзисторных элементов), семь п+ и семь р+-диффузионных перемычек, показан на рис. 2.25. Рисунок электрических связей формируется с помощью одного заказного фотошаблона. Сигнальные проводники трассируются с заранее определенным шагом в областях перемычек.

На рис. 2.26 приведен пример топологии ^ S -триггера. Для упрощения рисунка электрические связи показаны жирными сплошными линиями.

Для построения БМК применяют усовершенствованные КМОП-элементы с оксидной изоляцией и поликремниевыми затворами (рис. 2.27), характеризующиеся малыми пара­ зитными емкостями и высоким быстродействием. Легиро­ ванные поликремниевые слои используются также в каче­ стве «погруженных» в оксид соединительных проводников, что позволяет повысить плотность компоновки элементов на кристалле. Наиболее совершенные БМК с оксидной изо­ ляцией содержат до 10 000 логических элементов и характе­ ризуются средним временем задержки 2 нс на элемент.

На рис. 2.28 изображен фрагмент БМК, в котором ис­ пользуются однотипные ячейки с шестью транзисторными КМОП-структурами. В качестве элементов «подныривания» используются не только диффузионные шины п+-типа и поликремниевые перемычки, но и области стоков и исто­ ков МОП-транзисторов. Кроме того, затворы имеют двух­ сторонние контакты, что упрощает реализацию межэлемент­ ных соединений.1

Рис. 2.27. КМОП-структураг изготовляемая по изопланарной техно­ логии:

Условные обозначе­ ния, принципиальные электрические схемы и эскизы топологии наи­ более широко применяе­ мых логических элемен­ тов (НЕ, И-НЕ, ИЛИНЕ), однополюсного пе­ реключателя на два на­ правления и тактируе­ мого D -триггера пред­ ставлены на рис. 2.29— 2.33. Электрические свя­ зи и шины питания фор­ мируются с помощью од­ ного слоя металлизации.

Следует обратить внимание на то, что с целью повышения нагру­ зочной способности ши­ роко используется па­ раллельное включение нескольких инверторов (см. рис. 2.29, в). Так, в конструкции D -триггера (см. рис. 2.33) входные инверторы каждого полуразряда (Т3, Т4, Т7, Т8) спарены, так как эти инверторы нагружаются на вход нагрузки и на

вход переключателя. На рис. 2.32, в показан видоизменен­ ный вариант принципиальной электрической схемы одно­ полюсного переключателя на два направления, когда /?- и /z-канальные транзисторы сгруппированы в виде, удобном