Основной путь улучшения как технических, так и экономических показателей современной электроники – это повышение уровня интеграции полупроводниковых микросхем с одновременным уменьшением размеров их элементов. Быстрая смена технологических поколений привела к необходимости быстрой смены правил проектирования микросхем. Упрощение процедур введения новых правил проектирования осуществляется на основе принципа пропорциональной миниатюризации. Основное положение этого принципа состоит в том, что все размеры физических структур должны уменьшаться в одинаковое количество раз. Физические процессы в структурах при этом принципиально не меняются, а модели элементов изменяют только значения своих параметров.
Интегральная схемотехника сильно отличается от схемотехники устройств на печатных платах. Схемотехника устройств на платах направлена на достижение наилучших параметров разрабатываемого изделия. Интегральная схемотехника стремится к наибольшей универсальности микросхем. Кроме того, интегральная схемотехника приспособлена к быстрому переходу на новые технологии. Оптимальная структура нового изделия требуется не всегда. Важнее сжатые сроки и низкая стоимость разработки.
3.2. Принципы интегральной схемотехники
а) Параметры конструктивно одинаковых полупроводниковых приборов на кристалле микросхемы очень близки. Для большинства применений их можно считать равными.
б) Число типов приборов ограничено возможностями технологии. Увеличение числа типов приборов значительно усложняет технологию и повышает стоимость изделий.
в) Увеличение числа однотипных элементов в схеме незначительно повышает стоимость изделия. В современных микросхемах число элементов может превышать 10 миллиардов, то есть практически не ограничено.
г) Быстродействие и мощность микросхем зависят от размеров элементов и емкостей соединительных проводников. С увеличением степени интеграции все большая часть паразитных емкостей связана с проводниками.
д) Быстродействие элементов на кристалле может быть очень высоким, а рабочие частоты находятся в гигагерцовом диапазоне. Однако связь с внешними цепями на плате осуществляется через медленные порты. Сигнальные цепи на плате не могут передавать импульсные сигналы современных микросхем. Для передачи высокочастотных сигналов необходимо использовать специальные порты и кабельные линии связи.
е) При использовании принципа пропорциональной миниатюризации параметры разрабатываемых микросхем можно предсказать заранее, то есть до проведения разработки. Для этого необходимо использовать значения параметров уже разработанных микросхем и правил масштабирования.
3.3. Правила масштабирования МОП транзисторов.
В 1972 г. Деннардом были предложены правила технологического проектирования физических структур МОП-транзисторов в соответствии с принципом пропорционального масштабирования. В соответствии с принципом Деннарда все значения размеров и напряжений, включая пороговое напряжение, уменьшаются, а концентрация примеси увеличивается в одно и то же число раз (a). Величина a называется коэффициентом масштабирования. Из соотношений электростатики следует, что распределение напряженности электрического поля будет таким же, как и в исходной приборной структуре с большими размерами. Надо отметить, что в 1972 г. минимальные размеры элементов микросхем были более 3 мкм, а МОП схемы работали при напряжении около 10В. Принцип Деннарда обеспечивал эффективное проектирование структур без проведения больших объемов расчетов и экспериментов.
С уменьшением размеров элементов и напряжения питания принцип Деннарда встречает серьезные ограничения. Встроенный потенциал p—n переходов не поддается прямому масштабированию. Масштабирование порогового напряжения в той же степени, что и напряжения питания приводит к росту подпорогового тока. Принцип Деннарда ограничен по снижению напряжения питания.
Усовершенствованный метод масштабирования называется обобщенным. В этом методе размеры уменьшаются пропорционально коэффициенту a, а напряженность электрического поля в соответствии с другим коэффициентом e. Выбор коэффициента e определяется допустимыми токами утечки.
Коэффициенты пропорциональности в обобщенном методе масштабирования:
· для геометрических размеров – 1/a; (a>1)
· для напряженности электрического поля – e; (e>1)
· для потенциалов — e/a;
· для концентраций — e×a.
Концентрационные профили зависят и от размеров, и от напряжений. Картина электрического поля остается неизменной в пределах масштабируемых структур. Метод масштабирования рассчитан на то, что размерные эффекты в структуре МОП транзисторов останутся без изменений, несмотря на увеличение напряженности электрического поля.
Рост напряженности электрического поля до величины 5×106В/см приводит к усилению эффектов, связанных с «горячими» носителями. Возрастает ток затвора, снижается надежность изделий. Другим существенным ограничением допустимой величины e становится плотность рассеиваемой мощности, которая возрастает как e2.
При переходе к размерам элементов 0,25 мкм и менее появилась необходимость усложнить правила масштабирования. Толщина подзатворного окисла масштабируется с коэффициентом aT, a длина и ширина канала, ширина проводников – с коэффициентом aW. При чем aW>aT. Этот метод масштабирования называется обобщенным селективным. Напряжение питания в этом методе зависит от толщины окисла, то есть от aT.
В таблице 3.1. приведены закономерности масштабирования транзисторных МОП структур в соответствии с тремя описанными выше методами.
При снижении напряжения питания до предельной величины – 1В простое масштабное уменьшение размеров физических структур становится невозможным. Уменьшение размеров отдельных элементов структуры ведется на основе анализа физических ограничений. При таком подходе используется один из двух целевых факторов. Первый целевой фактор – достижение максимального быстродействия при сохранении показателей надежности. Второй целевой фактор – минимизация потребляемой мощности при заданных показателях быстродействия. В быстродействующих схемах допускаются токи утечки в транзисторах. Статическая потребляемая мощность может достигать 10% от динамической. В микромощных схемах соотношение статической и динамической мощностей не менее тысячи раз, а утечки должны быть минимальными.
Загрузка...
