Главная Промышленная автоматика.

Таблица 17.1. Планарные интегральные микросхемы фирмы Rockwell, успешно прошедшие испытания

Наименование схемы

Число логических элементов

Параллельный умножитель разрядностью 8X8 Параллельный умножитель разрядностью 5X5

Восьмикаскадный сдвиговый регистр - генератор псевдослучайного кода

Параллельный умножитель разрядностью 3x3

4-разрядный сумматор со сквозным переносом на 2- и 3-уровневых логических элементах

Делитель частоты с переменным коэффициентом деления 10/11 или 20/22 для использования в синтезаторах частоты Мультиплексор 8:1с генератором адреса Демультиплексор 1:8с генератором адреса

Аналоговое устройство выборки и хранения или стробирования с хранением на частоте 1 ГГц Цифровой частотный демодулятор

Предварительный делитель частоты на 8 со сквозным переносом на D-триггерах

Кольцевой генератор на логических элементах ИЛИ-НЕ, ширина затворов 3, 5,10 и 20 мкм

Кольцевой генератор на логических элементах ИЛИ, И-НЕ, ширина затворов 5 и 10 мкм

1000 260

96 75

37 63 60

25 65

необходимой для СБИС, с технологическим процессом, обеспечивающим высокий выход годных структур. Это требует такой технологии, которая обеспечивала бы очень высокое качество элементов схем (т.е. соединений первого и второго уровней металлизации; в СБИС их может быть несколько сотен тысяч) и очень жесткий контроль параметров приборов (т.е. напряжения отсечки ПТШ и прямого падения напряжения на диоде), для того чтобы изменения статических параметров элементов не ограничили существенно выход годных структур из-за превыщения допустимого запаса помехоустойчивости [17, 19]. (Этот вопрос можно рещить, конечно, используя методику проектирования схем со сравнительно больщим запасом помехоустойчивости.) С помощью нащей планарной технологии было получено малое среднее квадратическое отклонение напряжения отсечки ПТШ по всей подложке (f/jQj.;. =41,5 мВ и менее 30 мВ на кристалле), при этом среднее квадратическое отклонение прямого падения напряжения на диоде составило а;у = 10,ЗмВ (1,3%). По сравнению с типичными значениями запаса помехоустойчивости для ИС на ПТШ с ДШ, составляющими 0,5-0,75 В, такие неоднородности являются приемлемыми. Получение высокого процента выхода годных СБИС, содержащих десятки тысяч элементов, требует достижения допуска на удвоенную амплитуду ("окна") даже при оптимальном значении параметра, почти в 10 раз меньшего обычного среднего квадратического отклонения параметра. Кроме того, так как размеры кристал-378



лов СБИС даже при высокой плотности упаковки существенны, то плотности дефектов исходного материала и дефектов, возникающих при выполнении технологического процесса, должны быть очень малыми.

В этой главе будет описан метод изготовления ПТШ с ДШ, используемый в цифровых ИС на GaAs, затем планарный технологический процесс их изготовления, включающий ионную имплантацию, и далее будут приведены характеристики этих GaAs ИС.

17.2. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПТШ С ДШ

Для реализации БИС и СБИС необходимы высокие плотности упаковки, которые достигаются в результате использования методов литографии с высоким разрешением (1 мкм). Другим важным фактором, ограничивающим число ЛЭ на единицу площади кристалла, является схемотехническое проектирование. Принимая во внимание, что во всех предварительно описанных цифровых ИС GaAs ПТШ используются как нелинейные логические элементы [20], они могут быть изготовлены наряду с оптимизированными переключающими ДШ с помощью планарной технологии многократной ионной имплантации. Поскольку ДШ являются одними из самых быстродействующих переключающих полупроводниковых элементов с энергией переключения примерно 1 фДж, с очень малыми активной площадью (IX Х2мкм) и емкостью (приблизительно 2 10"* Ф), то их применение в цифровых ИС на GaAs весьма целесообразно. Авторы разработали методику схемотехнического проектирования ЛЭ с использованием таких быстродействующих диодов [2, 21] для большинства функций. В этих ЛЭ с помощью ПТШ в наиболее простой форме включения осуществляются (рис. 17.1 а) в основном инверсия и усиление.

В логическом элементе ИЛИ-НЕ (рис. 17.1а) логическая функция ИЛИ (предшествующая инверсии) осуществляется диодами Шотки очень малых размеров с высокой проводимостью. Кроме логических функций эти дио.ты обеспечивают сдвиг уровня (примерно 0,75 В) между положительным логическим уровнем предварительных каскадов и отрицательным уровнем напряжения затвора, необходимого для работы нормально открытого ПТШ с обеднением. Для очень малых напряжений отсечки ПТШ на GaAs (Циотх;* =2-0,5 В) только переключающие диоды обеспечивают соответствующий сдвиг уровня в маломощных ИС с очень малыми напряжениями. В результате добавления диода сдвига уровня (см. рис. 17.1) при более высоких уровнях напряжения питания и больших перепадах логических уровней может быть использован ПТШ на GaAs с несколько большим напряжением отсечки (f/зи gjj. = -0,7 . . . -1,4 В) .

Транзистор ФНУ (формирователь нижнего уровня), на который подается напряжение U, снижает ток прямого смещения через диоды и наилучшим образом обеспечивает ток выключения затвора транзистора VT1. Ширина затвора транзистора ФНУ незначительна (обычно не более 20% ширины затвора VT1). Однако в этом ЛЭ с источником тока коэффициент разветвления по выходу ограничивается отношением токов транзисторов ФВУ



Вхады

Выход

FA+B+C*D

-1 J

Входы Ж -Ч-

-НчТ1

Выход

F=(A*B+C)-(S-i-E*e)


Й-*-

f о-

Входы %

F = [(A+B*C)-(D-tB*G)]*[(H+UJ)-(K-H*M)]

"1Г

Выход

Входы

лег г нIJ к L м

Рис. 17.1. Схемы одно-, двух- и трехуровневых логических вентилей на диодах Шотки и полевых транзисторах. Все полевые транзисторы в режиме обеднения с напряжением отсечки -1,5 В< Циотс*"0,5 В; незачерненные диоды - быстродействующие переключающие диоды Шотки малой площади, зачерненные диоды - диоды сдвига уровня большой площади с большой емкостью: а - ИЛИ-НЕ; б - ИЛИ и И-НЕ; в - ИЛИ, И-НЕ и проводное И





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

0.0039