CC BY
51
1592ХМх;
• моделирования и отладки проектов в системе WinASCT в режиме сравнения результатов с эталонными;
• передачи информации об аттестованном проекте в систему топологического проектирования;
• повторного временного логического моделирования с учетом топологических задержек перед передачей проекта.
• Реализованный на фирме ОАО «Ангстрем» маршрут перепроектирования БИС, выполненных в системах проектирования ПЛИС фирм XILJNX. Actel Corporation и ALTERA, в полузаказные кристаллы фирмы ОАО «Ангстрем» состоит из следующих основных этапов.
• Трансляция описания проекта, переданного из системы проектирования ПЛИС в указанных форматах в стандартный текстовый файл описания структур -STR - формат.
• Трансляция тестовых воздействий и эталонных реакций, переданных из системы проектирования ПЛИС в указанных форматах в стандартный текстовый файл описания тестовых воздействий и эталонных реакций - TES - формат.
• Отладка проекта в системе WinASCT в библиотеке ПЛИС в режиме сравнения до получения совпадения результатов с эталонами.
• Перепроектирование проекта в заданный полу заказ ной кристалл, включающее доработку схем замены библиотечных элементов ПЛИС для заданного кристалла, формирование STR-файла в заданном базисе логических элементов, коррекцию схемы с учетом особенностей ПЛИС и БМК и временных соотношений.
• Моделирование проекта в режиме сравнения в указанных выше библиотеках до получения совпадения результатов с эталонами.
Выходной информацией всех систем является комплект файлов согласно стандарту фирмы ОАО «Ангстрем», описание списка цепей с одним (иди несколькими) из форматов Veriiog, VHDL или Edif 2.0, описание тестовых воздействий с эталонными реакциями в формате Veriiog и YHDL.
УДК 621.382
А.Н. Бубенников, В.В. Ракитин, А.В. Зыков, С.Б. Блинник
МАСШТАБИРОВАННЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ С НЕЛЕГИРОВАННОЙ БАЗОЙ ДЛЯ НИЗКОВОЛЬТНЫХ МИКРОМОЩНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УБИС
Московский физико-технический институт (гос. университет), 141700, Долгопрудный, Институтский, 9, факс: (095) 5765364, e-mail: [email protected]
Конкуренция двух базовых направлений развития технологии и схемотехники - БИС-биполярного и МОП (КМОП) происходила в течение трех десятилетий (1960-1980 годы). Однако уже 90-е годы - это период, когда «рабочей лошадкой» цифровых СБИС и УБИС широкой номенклатуры стали разнообразные глубоко-субмикронные КМОП технологии и соответствующие микромошные схемотехники с прогрессирующим использованием низковольтных напряжений питания [1,2]. Главным ограничением биполярного направления развития биполярных СБИС и
УБИС, прежде всего на наиболее быстродействующих ЭСЛ-элементах, было значительное потребление статической мощности, балластный характер которой, в отличие от КМОП элементов, проявлялся в режиме «покоя или непереключения» элементов. Эта балластная статическая мощность сильно нивелировала другие уникальные особенности масштабированных биполярных структур с предельно сжатыми вертикальными и горизонтальными размерами: ]) максимальное технологическое (внутреннее) быстродействие приборов и элементов с минимальными задержками ЭСЛ-элементов около 10-15 пс; 2) максимально высокая нагрузочная способность выходных элементов со схемотехникой комплементарных эмиттер-ных повторителей; 3)высокая логическая функциональная гибкость биполярного ЭСЛ, модифицированного комплементарного биполярного (СЫ) и смешанного (СЫСМОБ) базиса [3-5].
Для повышения степени интеграции и быстродействия УБИС требуются масштабированные приборные структуры, обеспечивающие высокую нагрузочную способность и малую потребляемую мощность низковольтовых логических элементов (ЛЭ). Одним из эффективных путей является переход к конструкциям функшюн&1ьно-интегрированных элементов на трехмерных вертикальных и планарных (с диэлектрической изоляцией) совмещённых полевых структурах [6-8]. Данные структуры с нелегированными каналами, локализованными между двумя затворами, позволяют практически устранить короткоканальные эффекты и уменьшить разброс пороговых напряжений, причем модуляция проводимости области канала между истоком и стоком для длин канала 10-30 нм подтверждена нашими расчетами на основе адекватного численного моделирования нанотранзи-сторов. Однако обеспечение приемлемой нагрузочной способности для данных функционально-интегрированных структур [6-8] представляет значительную проблему для плотноупакованных УБИС со значительными емкостными нагрузками линий связи (ЛС). поскольку сопряжено с модификацией структур в сторону увеличения их размеров.
Цель работы- анализ с помощью численного приборно- схемотехнического моделирования [9] новых возможностей приборного базиса низковольтных мик-ромощных функционально-интегрированных элементов УБИС с использованием для увеличения нагрузочной способности выходных двухтактных биполярных каскадов на масштабированных комплементарных симметричных транзисторных структурах с нанометровыми размерами и нелегированиой активной базовой областью.
Проведённое нами численное моделирование ВСМОП и ПСМОПП структур с длинами каналов 0.1-0.2 мкм, \'’5=г0,5-0.6 В, показало, что они обладают высокими рабочими характеристиками: технологическое быстродействие в режиме кольцевого генератора около 50-100 пс, минимальные геометрические размеры, приемлемая высокая плотность тока, ослабление короткоканальных эффектов. В то же время для обеспечения более высокой нагрузочной способности элементов и увеличения системного быстродействия процессорных низковольтных УБИС целесообразно использовать выходные двухтактные КБИ-элементы [3-5].
На рис. 1 приведены анализируемые комплементарные симметричные транзисторные струюуры (СТС), обеспечивающие симметричность по отношению К типу ПОД-
0.1 мкм
ы'
Активній
область
р' к Р’
О 0.1 мкм
Рис. 1
вижных носителей и позволяющие строить экономичные низковольтные микро-мощные схемы. Сечение СТС имеет активную базовую область, ограниченную сверху и снизу высоколегированными областями п+ типа проводимости, а по бокам - высоколегированными областями р+ типа проводимости. Мы будем анализировать СТС, у которых активная базовая область вообще нелегирована, то есть является собственным полупроводником или полупроводником с небольшой фоновой проводимостью любого типа. Если активная нелегированная область будет характеризоваться р типом проводимости, то СТС может рассматриваться как вертикальная п-р-п СТС с двумя базовыми контактами и одновременно как латеральный полевой транзистор с дырочным каналом и с двумя управляющими переходами. Если активная область будет характеризоваться п типом проводимости, то структура может рассматриваться как латеральная биполярная р-п-р СТС с двумя базовыми контактами и как вертикальный полевой транзистор с электронными каналами и двумя управляющими переходами.
Симметричность рассматриваемых СТС проявляется в том, что вертикальный и латеральный приборы при идентичных горизонтальных и вертикальных размерах отличаются только типом носителей. Биполярный режим работы СТС характеризуется инжекцией в активную область носителей обоих знаков при открывании входного р-п перехода и протекании по структуре значительных плотностей токов при малой исходной проводимости активной области.
При масштабировании - согласованном уменьшении горизонтальных и вертикальных размеров классического биполярного транзистора, возникают серьезные противоречия и трудности, особенно в нанометровом диапазоне размеров. Для предотвращения прокола тонкослойной базы транзистора необходимо увеличивать в ней концентрацию легирующей примеси, а также снижать рабочие напряжения питания. В то же время предельная концентрация легирующей примеси в активной базовой области принципиально ограничивается наличием туннельного пробоя эмиттерного р-п перехода.
В СТС устранение (или кардинальное уменьшение) прокола активной базы достигается за счет уменьшения ее ширины с локализацией подвижных носителей между близко расположенными базовыми контактами, подобно тому, как локализуют канал в МОП-фанз исторах [6-8]. Когда ширина базы не превышает ее толщины, то электрическое поле между эмиттером и коллектором значительно ослабляется за счет экранирующего действия базовых контактов. При снижении концентрации легирующей примеси в активной базе вплоть до собственной понижается барьер для инжекции носителей из эмиттера в базу, но сохраняется барьер, препятствующий проникновению соответствующих носителей в базовый контакт. При тонкослойной активной базе со слабым легированием, вплоть до собственной концентрации, в принципе, практически невозможно исключить прокол базы, но величина неконтролируемого тока прокола может быть достаточно малВй.моделируемой СТС, представленной на рис. 1, область активной базы имела квадратную форму и представляла собой слой с собственной концентрацией и проводимостью (допустима концентрация фоновой примеси 10ь - 1014 см' 3), а прилегающие к ней области р-ь-типа и п+-типа проводимости имели одинаковую концентрацию легирующей примеси, соответственно 1018 см \ Уровень легирования периферийных областей должен быть достаточно велик для обеспечения контактов и для снижения омического сопротивления, однако в случае перекрытия периферийных областей не должен превышать величины концентраций, вызывающей туннельный пробой сильнолегированного р-п-перехода. Моделируемая структура может быть как п-р-п, так и р-п-р СТС, в первом случае п+-области являются эмиттером и коллектором, а р+-области являются базовыми контактами, а
во втором случае - наоборот. При указанных размерах квадрата СТС 0.1x0.] мкм (СТС'0.1} размер активной базы по третьей координате был принят 1 мкм.
Рассмотрим результаты численного моделирования п-р-п СТС-0.1, выполненного по программе [9]. В равновесном состоянии при икк-иЭБ-0 области активной базы вблизи базовых контактов частично обогащаются подвижными носителями. При нулевом напряжении на базе (эмиттер находится под нулевым потенциалом) иБЭ~0 и обратном смешении коллекторного р-п-перехода происходит проникновение электронов из эмиттера в активную базовую область. Повышение напряжения обратного смещения иКБ приводит к увеличению концентрации электронов в базе, к количеству электронов дошедших до коллектора, как следствие, - к возрастанию коллекторного тока. Отметим, что вплоть до значений иК£, приблизительно равных напряжению открывания эмиттерного р-п-перехода, концентрация электронов в базе и коллекторный ток практически невелики. При подаче напряжения прямого смещения на эмиттерный переход наблюдается интенсивная инжекция электронов из эмиттера и дырок из базовых контактов в активную область базы, причем с возрастанием прямого смещения иБЭ происходит возрастание концентрации подвижных носителей в активной области базы и в дальнейшем достижение их концентрации в высоколегированных областях. Эффективно образуются электронный и дырочный каналы, причем разность потенциалов на концах каналов определяет величину (и направление) тока в каналах.
На рис.2 представлены расчетные входные ВАХ п-р-п СТС (толщина и ширина базы 0.1 мкм, а длина 1 мкм), характеризующие специфику очень высокого эффективного коэффициента усиления СТС в области микротоков базы. На рис.З и 4 представлены выходные ВАХ аналогичных п-р-п и р-п-р СТС триодного типа. Несмотря на некоторое отличие в форме выходных ВАХ в области малых и средних напряжений коллектор-эмиттер, можно сделать вывод о хороших ключевых характеристиках комплементарных СТС, у которых отношение токов включенного (напряжение база-эмиттер равно 0.8 В) и выключенного (напряжение база-эмиттер 0 В) превышает свыше четырех-пята порядков. Исследование влияния концентрации легирующей примеси в активной базе показало, что выходные ВАХ слабо меняются, пока концентрация не превышает 101 ’ см"3,
Рис. 2 Рис.З
На рис.5 для выходного двухтактного каскада - инвертора на комплементарных п-р-п и р-п-р СТС (см.рис.і) с характеристиками (см.рис.3,4) представлены расчетные передаточные характеристики, характеризующие возможность формирования логических перепадов (с дифференциальным коэффициентом к=сШ01„/(Ш1П>2.8) в достаточно широком диапазоне и с высокой нагрузочной способностью в низковольтном режиме (Еп= 0.2-0.6 В) с минимальной статической мощностью (менее 0.1 мкВт).
Таким образом, б работе показано, что СТС обладают высокими нагрузочными и усилительными формирующими свойствами, допускают работу при размерах 100 нм и менее. Подобное сочетание СТС с ВСМОП и ПСМОП с высочайшей плотностью размещения является наилу чш им для низковольтных процессорных кремниевых УБИС. Это открывает возможности поразрядной совместимости специализированных процессорных и запоминающих устройств новейших поколений с тактовыми рабочими частотами в несколько ГГЦ.
Рис, 4 Рис. 5
ЛИТЕРАТУРА
1. Taur Y, Buchan D. et al // Ргос. IEEE. 1997. V.85. N 4, Р.486-503.
2. Asai S., Wada Y. // Proc.IEEE, 1997. V.85. N 4. P.505-520.
3. Бубенников A.H. II Микроэлектроника. 1990. T.19. N5. C.504-519.
4. Бубенников A.H. //Электронная техника. Сер. 10. 1993. Вып.З. С.7-14.
5. Бубенников А Н. // Микроэлектроника. 1994. N2. С.74-83.
6. Ракитин В,В,, Фштппов Е.И. // Микроэлектроника, 1996. Т.25, N2. С. 112-115.
7. Бубенников А.И., Ракитин В.В, Зыков А.В., Блинник С Б. И Тезисы докладов
Всерос. конф. «Актуальные проблемы тверд, и микроэл.», j 998. С. 169-172.
8. Бубенников А Н., Зыков А.В., Ракитин В.В. // Электроника. Изв. вузов. 1999. N 1.
9. Бубенчиков А.Н., Чер}(яев А.В, Приборно-схематехннческое моделирование в САПР БИС/ Ассоциация разработчиков САПР БИС. Таганрог: ТРТИ, 1993.
УДК 621.3.049.77.002:620.179
М.О. Рапидов ИЗМЕРЕНИЕ ЗАДЕРЖЕК МИКРОМОЩНЫХ ИНВЕРТОРОВ ЦИФРОВЫХ СБИС НА ПЛАСТИНЕ НЧ-ИЗМЕРИТЕЛЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ ВСТРОЕННОГО КОНТРОЛЯ ГНЦ РФ НПК «ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР»,
103498, Москва, МИЭТ\ НПК ТЦ, тел.: 5329S39, e-mail: [email protected]
Введение
Во то время, когда многие заняты поисками [1] стратегий шансов хотя бы для частичной адаптации предприятий электроники к нынешним условиям в течение шести-семи лет, проходит конференция по актуальным проблемам микроэлек-
