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        超大規模集成電路設計的基本原理簡介

        信息來源: 時間:2020-11-24

        超大規模集成電路設計的基本原理簡介


        一、概述

        上面講到的電路設計與布圖,都是按照常規工藝考慮的,一般用于中小規模MOS集成電路。MOS技術發展的速度是很驚人的,MOS集成電路在性能和集成度方面,大約每年要翻一番。在七十年代,MOS芯片已經從最初速度較低(ms數量級)、集成度不高的移位寄存器、門電路和觸發器,發展到了速度相當高(ns數量級)、集成度為上萬個元件的微處理機芯片。七十年代末期,MOS技術已向采用5V單電源的N溝道超大規模集成電路方面發展,這種電路能以低于100ns的周期執行復雜的計算指令,以低于50ns的時間實現靜態和動態存貯操作,而這些操作的功耗都是極低的。超大規模集成電路設計。

        MOS電路的性能和集成度的提高,其共同的方法是縮短基本MOS FET的有效溝道長度或源漏擴散區之間的間距。

        實現短溝道,目前有兩種途徑:一種是依靠雙擴散工藝,即在MOS柵下面做成一個5μm的較長溝道的耗盡型器件和一個1μm短溝道的增強型器件的串聯結構,它的有效溝道長度可由翻擴散來控制,如圖5-25所示。如果這種雙擴散結構圖形為垂直時(如圖5-26所示),即為VMOS。VMOS晶體管的表面,位于硅村底經過各向異性腐蝕所得到的V型槽面上。這兩種雙擴散結構的器件,都需要與常規的硅柵工藝有明顯不同的新工藝和新的電路結構。

        超大規模集成電路設計

        縮短溝道的另一種途徑是直接將MOS器件的尺寸和性能參數按比例縮小,即按比例縮小常規N溝硅柵結構的MOS器件。超大規模集成電路設計。通過按比例縮小的器件,便能達到更高的速度、集成度及更低的功耗。本節將概要敘述大規模、超大規模集成電路設計中應用的按比例縮小原理。

        二、按比例縮小設計原理

        自從1977年類特爾公司應用按比例縮小原理制成了高性能MOS器件(HMOS)以來,這種設計原理已逐漸成為大規模、超大規模集成電路設計的指南,得到了廣泛的應用。因為它有以下幾個突出的優點:

        ①按比例縮小器件的尺寸和參數,方法比較簡單,不要求對常規工藝進行任何改革,因此,可以不需要增加成本,而充分發揮常規工藝的作用,使原來的生產經驗迅速地在生產線上建立起來。

        ②由于它是直接從常規工藝發展過來的,所以既不需要重新設計器件的結構,也不需要復雜的電路結構。

        ③隨著光刻、熱處理過程的改善及精細加工技術(如電子束曝光)的采用,按比例縮小原理適用于愈來愈小的電路圖形,是改善設計的理想方法。

        1、縮小原理

        為了設計比較小的溝道長度 L 的器件,并保持適當的閾值電壓和漏源擊穿電壓,器件按比例縮小的理論認為,必須按比例地變換三個變量,即器件的尺寸、電壓和襯底摻雜濃度。

        首先,將器件的全部線性尺寸縮小S倍(S>1)。這種縮小包括垂直方向,如柵絕緣層厚度image.png結深image.png以及水平方向,如溝道長度L、溝道寬度W。超大規模集成電路設計。于是,由這些新的參數構成新的按比例縮小器件。

        其次,應用于器件上的工作電壓,也按同樣的比例因子縮小。如超大規模集成電路設計。

        第三、由于要保持適當的閾電壓和漏源擊穿電壓,對摻雜濃度必須擴大S倍,即超大規模集成電路設計超大規模集成電路設計。

        例如,圖5-27所示為按比例縮小原理示意圖。其中圖(a)為常規工藝的器件結構,它的image.png。圖(b)為按比例縮小的器件(設S=5),它的image.png。

        超大規模集成電路設計

        2、電路性能變化

        按照上述原則縮小后,器件和電路的性能也隨著發生明顯的變化。

        (1)由于縮小了電壓和增加了雜質濃度,耗盡層寬度隨著器件尺寸縮小的比例縮小了,即image.png。

        (2)因為image.png縮小了S倍,所以閾電壓也按同樣的比例近似都縮小了S倍,即image.pngimage.png。

        (3)在N溝道器件中通常使用的襯底偏置電壓,也可作相應的減小。

        (4)加在源結和漏結上的電壓降,或者加在柵下邊耗盡區上的電壓降都縮小了S倍。

        (5)描寫MOS FET器件特性的全部方程,也可按比例縮小S倍,如image.png。

        (6)由于電壓與電流都縮小了S倍,因此功耗縮小了image.png倍。

        (7)電極間距縮小了S倍,并且柵絕緣層較薄和減小了耗盡層的寬度,所以全部電路原件的電容縮小了S倍,因此,每個電路的延遲時間也隨著縮小S倍。

        (8)功率與延遲時間乘積縮小了image.png倍。

        將上述按比例縮小器件構成的電路參數,歸納于表5-5中??梢娖骷碗娐钒幢壤s小以后,電路的集成度、功耗及速度等性能得到很大的提高。

        3、存在問題

        按比例縮小原理提出后,對MOS集成電路的發展起了相當大的促進作用,但它本身尚有一些沒有解決的問題。超大規模集成電路設計。例如在亞閾值區(指MOS反型溝道形成之前)或弱反型區,器件的參數不能按比例縮小,故亞閾區的源-漏泄漏電流不能降低,因為漏電流是隨溫度升高而越趨嚴重的,所以按比例縮小原理要受到溫度的限制。又如,由于所有的尺寸都按比例縮小,會使給定的引線電阻和導線中的電流密度擴大S倍,前者影響了傳輸速度,后者會影響電路的可靠性。另外,由于器件尺寸不斷縮小,所需的電源電壓相應地來愈低,可能降低到2~3V,這與當前TTL及通用系統普遍采用5V電源是不相容。超大規模集成電路設計。如果要維持5V 電源,則器件內部的平均電場就要增大,從而會產生諸如影響閾值電壓、溝道穿通電壓降低等次級效應。這些將有待于進一步研究解決。

        超大規模集成電路設計

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