Главная Промышленная автоматика.

ВИИ tBbix~ncHHac "Р" котором отсутствует насыщение дрейфовой скорости;

2) напряжения питания, необходимые для низкой рассеиваемой мощности БИС, не допускают существенного насыщения дрейфовой скорости в Si, которое происходит при полях большой напряженности (2-10" В/см, т.е. t/n = 2B,Z,3 = l мкм), чем в GaAs 5 • 10 В/см);

3) переход от ненасыщенного режима к режиму насыщения дрейфовой скорости с увеличением напряженности поля более резкий в GaAs (см. рис. 16.16), в то время как в Si - более плавный [42]. Таким образом, воздействие насыщения скорости на характеристики быстродействия по сравнению с гипотетическим случаем полного отсутствия насыщения при заданном рабочем напряжении является более сильным в Si.

Уравнения (16.33) и (16.11) показывают, что величина/j отсутствие насыщения пропордиональна К, т.е. подвижности электронов. Емкости затвор-канал в ПТШ на GaAs и кремниевом МОП-транзисторе с одинаковой геометрией затвора являются сравнимыми. Кроме того, толщина диэлектрика (окисла в МОП-транзисторе и обедненного слоя шириной Дэфф в ПТ на GaAs) и его диэлектрическая постоянная уменьшены в К/С раз, и эта величина входит в выражение для /щх случае Ci,ix~C. Характеристики быстродействия схем на Si могут быть улучшены в результате работы с большими, чем в схемах на GaAs,перепадами логических уровней, без достижения насыщения скорости. Однако при этом подразумевается большее значение и, таким образом, большая мощность рассеяния. Малая подвижность дырок в GaAs исключает создание быстродействующих р-канальных элементов и, следовательно, комплементарных ИС. Поэтому в схемах на GaAs мощность рассеивается в статическом состоянии при напряжении выходного узла tix то отсутствует в КМОП-схемах. Однако при работе на высоких частотах динамическая мощность рассеяния КМОП-схем становится при равном быстродействии гораздо большей, чем у схем на GaAs, так как КМОП-схемы не должны работать в этом случае при уровнях напряжений практически в 5 раз выше (при отсутствии насыщения дрейфовой скорости) для достижения скорости, равной скорости схем на GaAs, и, следовательно, они обладают в 25 раз большей динамической мощностью рассеяния. Таким образом, GaAs БИС на ПТ с непосредственными связями не только заменяют Si БИС на частотах выше 2 ГГц, которые недостижимы для Si [47], но БИС GaAs имеют преимущества по мощности в частотном диапазоне сотен мегагерц, который достижим для схем, изготовленных на кремнии на сапфире.

16.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Удельная емкость схем на транзисторах, изготовленных по технологии "кремний на сапфире" при толщине окисла в несколько десятков нанометров, практически та же, что и у схем на ПТШ или на ПТ с непосредственными связями при равных размерах затворов. Преимущество схем на GaAs вызвано в основном большей в 5 раз подвижностью электронов в полях ма-



лых напряженностей. Оказывается, что частоты выше 2 ГГц недостижимы для схем КНС с длиной канала 1 мкм; в этом диапазоне будут использоваться схема на GaAs.

2. Технология изготовления схем на GaAs более предпочтительна для БИС и СБИС, чем технология КНС, даже на частотах ниже 2 ГГц, поскольку GaAs обеспечивает меньшую мощность рассеяния при равном быстродействии. Величина Сзи-ипор необходимая для получения того же тока насыщения для приборов на Si, почти в 2 раза больше, чем для GaAs той же конфигурации, и почти в 5 раз больше для получения той же проводимости канагта в линейном режиме. Таким образом, в ИС на GaAs может быть достигнуто то же быстродействие, что и в ИС на Si, при меньших перепадах логических уровней, поэтому их потребляемая и рассеиваемая мопщости меньше.

3. Говоря о схемах на GaAs, следует отметить, что задача состоит в улучшении управления технологическим процессом, в частности эффективной концентрацией легирования, и, таким образом, пороговым напряжением. При улучшении контроля можно будет создать БИС и СБИС с уменьшенным напряжением питания. При напряжениях питания ниже 1 В ИС на ПТ с непосредственными связями предпочтительны из-за их относительной простоты. При таких малых напряжениях эффекты горячих электронов станут второстепенными для ИС, производимых методом фотолитографии.

4. Возможность контроля технологического процесса будет диктовать выбор метода проектирования схем. Схемы на ПТШ с ДШ и на буферных ПТШ имеют преимущества перед схемами на ПТ с непосредственными связями, так как характеристики первых менее чувствительны. Они отвечают требованиям БИС.

5. При напряжениях пихания выше 1 В ограничитель тока на основе насыщения дрейфовой скорости [32] заменит транзистор и резистор с постоянным сопротивлением, используемые сейчас в качестве нагрузки, так как он имеет меньшую емкость, чем нагрузочный транзистор, обеспечивает большее быстродействие, чем резистор, и его параметры хорощо контролируются.

6. Оказывается, что для СБИС и ИС со степенью интеграции выше сверхбольшой, работающих при напряжениях питания около 0,5 В, которые, по-видимому, станут реальными в конце 80-х гг., наиболее предпочтительными в качестве нагрузки станут туннельные диоды [33], особенно в элементах памяти при условии, что может быть достигнут достаточный контроль их параметров.



ГЛАВА 17

ПЛАНАРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ БИС И СБИС НА ПТШ С ДШ

Р. К. Иден\ Б. М. Уэлч

17.1. ВВЕДЕНИЕ

Цель усилий, описываемых в этой главе, состоит в том, чтобы обеспечить быстродействие Сзд р - 100 пс), продемонстрированное МИС и СИС на GaAs в БИС и СБИС. Основной подход состоит в том, чтобы, сохранив продемонстрированные характеристики и уровень выхода годных структур такими, как и в технологии обедненных ПТШ, применять их, когда необходимо (для инверсии и усиления), и при этом для большинства логических функций использовать сверхбыстродействующие переключающие диоды Шотки. Такая схема (ПТШ с ДШ) проста, занимает очень малую площадь (мене 600 мкм на один элемент ИЛИ-НЕ) и требует малой мощности (/потдан О мкВт до 2 мВт/ЛЭ). Все эти факторы очень важны для СБИС. К тому же время задержки, продемонстрированное ЛЭ на ПТ с непосредственными связями (Гздр = 62пс в кольцевом генераторе и Гздр = 110пс в делителе частоты на

D-триггере), сравнимо с временем задержки ЛЭ на ПТШ с обеднением при £3 = 1 мкм, а уровень динамической энергии переключения (/потдинздр ~ = 68фДж при ?здр = 62пс в элементе ИЛИ-НЕ, Рпотданздр = 16 • Ю" Дж при fздр = 136 пс в инверторе) является выдающимся.

Требования получения быстродействующих переключающих диодов очень малых размеров при использовании структуры ПТШ с ДШ делает невозможным изготовление оптимизированных ИС с единственным активным слоем, как и в обычных ИС на GaAs. Требование получения нескольких активных слоев, оптимизированных для различных типов элементов (т.е. для маломощных ПТШ с обеднением и быстродействующих переключающих диодов малых размеров), возникло при разработке полностью пла-нарной технологии с использованием локальной ионной имплантации. С помощью этой технологии с 1977 г. [1] изготавливались ячейки памяти при степени интеграции от МИС до БИС, некоторые из них перечислены в табл. 17 1. Наиболее сложная схема, которая успешно продемонстрирована в настоящее время, - это БИС параллельного умножителя разрядностью 8X8, содерм.а-щая 1008 ЛЭ и выполненная на кристалле размером 2,47X2,7 мм [17- 19 j, Планируется с помощью этой технологии реализовать СБИС, содержащее 10000 ЛЭ.

Ключевой подход к успешному достижению такой сложности ИС заключается в объединении методов, позволяющих реализовать простоту и плотность упаковки при достаточно малой мощности логического элемента.

Фирма Gigabit Logic, Калвер-Сити, шт. Калифорния, США. Фирма Rockwell, Таузанд-Окс, шт. Калифорния, США.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 [126] 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0058