Главная Промышленная автоматика.


Рис, 17.18. Микрофотография участка планарной ИС, на которой демонстрируются высококачественная литогра4ия и высокая плотность размещения элементов. Второй уровень соединений проходит параллельно над первым

уровней соединений. Это желательно при проектировании СБИС для упрощения технологии и уменьшения размера кристалла. Фотография участка планарной ИС на рис. 17.18, полученная с помощью РЭМ, иллюстрирует возможности разрешения и совмещения всего технологического процесса. Эта планарная ИС содержит GaAs ПТШ с шириной затворов 5 и 10 мкм и длиной затвора 1 мкм, которые точно совмещены в зазоре между «-областями и контактами стока и истока. Для реализации двухвходовой функции ИЛИ в ряде участков использованы по два очень малых (1x2 мкм) логических диода. Диоды и ПТШ, требующие различных имплантаций, разделены малым изолирующим зазором (3 мкм), который реализуется на полуизолирующей подложке.

17.3.5. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Преимущества характеристик ИС, которые могут быть получены вследствие большей подвижности электронов в GaAs и возможности использования полуизолирующих подложек GaAs, послужили причиной исследования технологических процессов, рассмотренных в этой главе. Результаты этого исследования позволили достичь значительных успехов в развитии технологических методов GaAs и разработать полностью планарную технологию БИС, как и для ИС на Si. Эта технология уже использовалась для производства GaAs ИС с сотнями логических элементов (см, далее рис. 17.23), продемонстрировавших отличные характеристики и хороший уровень выхода годных структур, а также реальные возможности создания маломощных БИС и СБИС с высокой плотностью упаковки.

Итак, мы представили технологию, которая хороша для дальнейшего развития и создания GaAs СБИС. Отличные перспективы GaAs СБИС усиливаются тем фактом, что число этапов основного технологического процесса в больщинстве случаев меньше, чем при изготовлении ИС на Si. Это стало возможным в основном из-за использования полуизолирующих подложек, обеспечивающих минимальные паразитные емкости и непосредствен-



ную изоляцию элементов без какого бы то ни было дополнительного усложнения процесса, которое необходимо при изготовлении таких структур на Si, как л-МОП, КМОП или КМОП типа КНС. Отмеченные преимущества должны благоприятно повлиять на достижение максимального процента выхода годных GaAs БИС. Несмотря на различия материалов, методы изготовления, необходимые дая сверхвысокой плотности упаковки и получения элементов предельно малых размеров в Si СБИС и GaAs СБИС, являются одинаковыми. Можно ожидать дальнейшего прогресса в технологии выращивания материалов подложек GaAs и процессе ионной имплантации. Поэтому перспективы в изготовлении GaAs СБИС кажутся такими же реальными, как и Si СБИС.

17.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Как видно из табл. 17.1, для доказательства возможности планарной технологии изготовления ЛЭ на ПТШ и ДШ было изготовлено много различных ИС со степенью интеграции от малой до большой. Наиболее простой ИС, полезной для исследования предельного времени задержки логического элемента и динамической энергии переключения, является кольцевой генератор. Он формируется из нечетного числа Л инвертирующих ЛЭ (т.е. И-НЕ, ИЛИ-НЕ или просто инверторов) [4]. Следовательно, при правильном логическом функционировании не существует устойчивого состояния и выходы ЛЭ должны генерировать частоту, определяемую задержкой ЛЭ здр (/"во = 1/(2МГздр)). В табл. 17.3 приведены результаты измерения времени задержки кольцевых генераторов на логических элементах ИЛИ-НЕ и ИЛИ-И-НЕ с номинальной длиной затвора GaAs ПТШ /,3=1 мкм. Максимальное быстродействие, полученное в маломощных ЛЭ (/потдин~1Д мВт), составило здр=62 пс при А„=в8Х XIО"" Дж, в То время как наименьшая работа переключения была получена при очень малой геометрии инвертора If=3 мкм и составила „ = 16 • 10" Дж при f зд р = 136 пс. Определенный интерес представляет сравнение характеристик простого логического элемента ИЛИ-НЕ на ПТШ и ДШ (рис. 17,1 а) и двухуровневого логического элемента И-НЕ на ПТШ н ДШ (рис. 17.16), реализованных для кольцевого генератора на транзисторах (7,3 =1 мкм) с И=10 мкм и И=5 мкм и изготовленных на кристаллах с одной пластины. Кольцевые генераторы на логических элементах ИЛИ и НЕ-И [5] были изготовлены с коэффициентом объединения по входу, равным четырем (как на рис. 17.16, но без диодных входов В к G). При этом выход подсоединен к обоим входам 3, и 3j следующего каскада (т.е. F соединен с С и О) на рис. 17,1. Следовательно, если положительный управляющий сигнал поступает на общие входы А на рнс. 17.16, то через 3, - затвор, ближайший к истоку, осуществляется генерация, если же на Л - низкий уровень сигнала, а общие входы Е имеют высокий потенциал, то генерация осуществляется через затвор 3j. Если и вход А, и управляющая линия находятся под низким потенциалом, то в этом случае понадобится одновременное прохождение сигнала через 3, и 3j (худший случай, так как это имитирует ПТШ с Л 3 =2 мкм).

Как показано в табл. 17.3, уменьшение быстродействия при переходе к двухуровневым логическим элементам ИЛИ, НЕ-И на ПТШ с ДШ очень мало, особенно в случае, когда If = 10 мкм. Поэтому такая конфигурация будет очень привлекательна для схем, в которых предпочтительнее использовать многоуровневые ЛЭ. Например, экстраполирование величины Гздр от 105 пс для кольцевого генератора до 130 пс для делителя частоты с противофазным тактированием (/в ~ l/(2f зд р)), вьшолненных на элементах ИЛИ, НЕ-И, даст максимальную тактовую частоту /3 = 4 ГГц.



Таблица 17.3. Сравнение результатов исследований интегральных кольцевых генераторов ка логических элементах ИЛИ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ ка ПТШ и ДШ с длиной

затвора 1 мкм

Тип логической

Мощность логичес

Затворы,

/вО. МГц

здр.пс

схемы

кого злемеита

на которые

""от дин

поступает

X f зд р,

10-" Дж

сигнал

И=10мкм.ИЛИи

пот дай = 1.7 мВт

111,6

201,1

И-НЕ, 7-каскадный

Uai =2,34 В

КГ,Л-об=4,Краз=2

/п1 =625 мкА

3.+3,

129,9

216,9

п2=-0,86В

/п2=-250 мкА

105,0

179,6

И=10мкм,

погдан=865 мкВт

ИЛИ-НЕ, 9-каскад-

С/„1=1,675 В

ный КГ,/Соб = 2,

/п1 =460 мкА

С/„2=-0,95В 1п2=-100мкА

И=5 мкм ИЛИ и

потдан=475мкВт

176,4

83,9

И-НЕ, 7-каскадаый

С/„1=1,9В

3. +3,

105,2

93,7

КГ,/Соб=4.А-раз=2

/п1 =200 мкА

f/„2=-lB /п2 =-95 мкА

174,2

94,4

К=5 мкм ИЛИ-НЕ,

•потдаи = 372 мкВт

9-каскадньй КГ,

С/п1=1,57В

•об~2,Храз = 1

/п1 =218 мкА

110,7

41,1

гп2ап2) = -0,61В (-48 мкА)

(Для сравнения все измерения проведены на кристаллах с одной пластины) Максимальное быстродействие

W = 10mkm

пот дни 1 >1 т

ИЛИ-НЕ, 9-каскад-

ti,=l,7B; 546 мкА

ныйКГ,/Соб=2,

раз=1

Минимальная работа переключения

К = 3 мкм, инвертор,

9-каскадный КГ,

потдан=110мкВт

об~1,раз = 1





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

0.0061