Расчет и проектирование СБИС. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

141

однородного нагрева всей поверхности подложки в импульсном режиме

(излучением газовой лампы) или медленно (в печи). Опробованы различные

методы управления и контроля над процессом образования кристаллических

зародышей и последующего роста этих зародышей.

Надо сразу сказать, что в случае кристаллизации сплошной пленки на

подложке большого диаметра нельзя избежать образования большого числа

зародышей кристаллизации, и пленки получаются поликристаллическими, или

блочными, кристаллиты достигают размеров 100 мкм и более, пленки имеют

большие напряжения и в них могут появиться микротрещины

Более реалистической стратегией является выращивание островков

монокристаллического кремния с размерами, достаточными для изготовления

одного или группы транзисторов. Конфигурация островков в этом случае

должна определяться шаблоном, входящим в состав комплекта шаблонов для

данной ИС. Желательно, чтобы каждый островок рос от одного зародыша.

Управление зародышеобразованием производится по-разному: может быть

контакт с монокристаллическим кремнием в подложке Si—SiO

(через отвер-

стие в пленке SiO

); могут создаваться специальные канавки в аморфной

подложке, и эти канавки будут местом зародышеобразования (графоэпитаксия);

граница углубления в аморфном диэлектрике, в котором расположен островок,

тоже может служить центром зародышеобразования. Для обеспечения условий

образования высококачественных островковых монокристаллов используется

сложное капсулирование островков. Покрытие островка делается таким, чтобы

температурный профиль при освещении Ar-лазером способствовал

образованию зародыша и росту кристалла во внутренней части островка. Этим

методом получены монокристаллические островки размерами от 20 X 40 до

30 X 60 мкм

. Нa островках были изготовлены n-канальные МОП-транзисторы

с электронной подвижностью в канале 460 см

/В

с. Введение

антиотражательных покрытий и локальный нагрев островков дают надежду,

что создание качественных транзисторов непосредственно над МОП-

транзисторами нижнего слоя возможно.

Как правило, в результате изготовления МОП-приборов на

рекристаллизованном на аморфной диэлектрической подложке кремнии

получаются удовлетворительные по качеству приборы. Подвижность

электронов или дырок в канале несколько ниже, чем в объемном материале

(например, 480 и 180 см

/В

с для электронов и дырок соответственно), что

отражается на быстродействии приборов. Однако по мере уменьшения длины

канала быстродействие прибора в большей мере зависит от скорости

насыщения, чем от низкополевой подвижности.

Можно сделать вывод о том, что к настоящему времени научная база для

изготовления трехмерных ИС создана.

142

6. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

6.1 Запоминающие устройства (ЗУ)

• Разновидности ЗУ

Одна из важнейших характеристик полупроводниковых ЗУ заключается в их

компактности, являющейся следствием размещения запоминающих элементов-

(ЗЭ) и схем обслуживания (таких, как дешифраторы адреса, схемы записи —

чтения и регистры памяти) в одном маленьком корпусе. Применение

полупроводниковой памяти позволяет сократить пространство, необходимое

для размещения ЗУ, в 500 и даже в 1000 раз по равнению с памятью на

магнитных сердечниках. Компактность полупроводниковых ЗУ делает

возможным их рассредоточение по цифровой системе. Это приводит к

серьезным изменениям в организации вычислительной системы.

1. Запоминающие устройства в силу их компактности и дешевизны могут

располагаться рядом с логическими схемами на вентилях. Другими словами,

где угодно в цифровой системе можно расположить локальные комбинации

логических схем и ЗУ. Такие комбинации обеспечивают новые возможности и

дополнительную гибкость при проектировании систем, улучшая их

технические характеристики и уменьшая стоимость. В частности, мы можем

разместить в разных местах системы процессоры, отличающиеся размерами и

функциями.

2. Раньше ЗУ использовались для хранения программ или промежуточных

результатов вычислений. Появление полупроводниковых ЗУ открывает новые

перспективы использования электронной памяти. Так, полупроводниковые

постоянные ЗУ могут заменять собой логические схемы, поскольку в них мож-

но хранить таблицы истинности, минимизированные переключательные

функции и таблицы решений. Можно предложить много способов

использования полупроводниковых ЗУ, и появление новых вариантов в

значительной степени зависит от изобретательности разработчиков.

Полупроводниковые ЗУ характеризуются регулярностью структуры, что

облегчает разработку топологических схем и делает их весьма компактными и

дешевыми. Реализация переключательных функций с помощью комбинации

логических вентилей и ЗУ во многих случаях оказывается гораздо экономичнее

использования одних только вентилей (т. е. традиционных средств реализации

переключательных функций). В настоящее время качество логического

проектирования в значительной степени определяется тем, насколько

эффективно в логических схемах используются ЗУ. При этом потенциальные

возможности полупроводниковых ЗУ в логическом проектировании еще далеко

не изучены.

Полупроводниковые ЗУ можно классифицировать следующим образом.

Запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ). Информацию

можно как записать в память, так и считать из нее. К ячейкам ЗУПВ можно

143

обращаться в любом порядке, при этом время обращения ко всем ячейкам

одинаково. В зависимости от типа электронных схем, использованных в ЗЭ,

ЗУПВ подразделяются на два типа: статические и динамические.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Информацию можно

считать из памяти так же легко, как в случае ЗУПВ, но нельзя так же легко

записать в память. ПЗУ подразделяются на ПЗУ с масочным

программированием, программируемые ПЗУ, ПЗУ с возможностью стирания

информации и ПЗУ, программируемые электрическим током. Следует

заметить, что в литературе имеются разногласия по поводу классификации

ПЗУ.

ПЗУ с масочным программированием. Информация записывается

однократно с помощью маски в процессе производства (обычно изготовителем

полупроводниковых приборов). После этого изменить информацию нельзя.

ПЗУ с масочным программированием часто называют просто ПЗУ.

В отличие от ПЗУ с масочным программированием перечисленные ниже

типы ПЗУ относятся к числу ПЗУ, программируемых потребителем.

Программируемые ПЗУ (ППЗУ). В ПЗУ такого типа потребитель (а не

только изготовитель полупроводниковых приборов) может записать

информацию лишь однократно.

ПЗУ с возможностью стирания информации, или стираемые

программируемые ПЗУ (СППЗУ), — это ПЗУ, в которых информация стирается

во всех ЗЭ одновременно с помощью ультрафиолетового облучения, после чего

новую информацию можно занести в каждый ЗЭ электрическим путем.

ПЗУ, программируемые электрическим током, которые подразделяются на

электрически программируемые ПЗУ (ЭППЗУ) и электрически стираемые

программируемые ПЗУ (ЭСППЗУ). Это — ПЗУ, в которых информация может

стираться и записываться с помощью электрического тока. Хотя ЭППЗУ

обычно рассматривается как синоним ЭСППЗУ, некоторые авторы определяют

их по-разному: ЭППЗУ — это такое ПЗУ, в котором информация электрически

стирается слово за словом или бит за битом (т. е. поэлементно), а ЭСППЗУ-—

это ПЗУ, в котором информация электрически стирается одновременно во всех

ЗЭ.

• Программируемые постоянные запоминающие устройства

(ППЗУ)

При производстве небольших партий ПЗУ изготовление по заказу

потребителя даже одной маски может оказаться слишком дорогостоящим, а

время выполнения заказа — слишком большим. Поэтому многие фирмы-

изготовители выпускают ПЗУ, программируемые потребителем. В ПЗУ этого

типа потребитель может сам записать требуемую ему информацию.

Существует много видов ПЗУ, программируемых потребителем; ПЗУ, в

которое информацию можно записать только однократно (навсегда),

называется программируемым ПЗУ (ППЗУ).

Типичные электрические схемы ЗЭ ППЗУ представлены на рис. 6.1.1, а и

6.1.2, а, а структура этих элементов — на рис. 6.1.1,б и 6.1.2,б соответственно.

На каждом пересечении

Рис. 6.1.1. ППЗУ на биполярных транзисторах.

линий слов с разрядными линиями имеются последовательно соединенные

биполярный транзистор и плавкая перемычка (рис. 6.1.1,а) либо диод и плавкая

перемычка (рис. 6.1.2,а). Для записи в ППЗУ информации пользователь должен

«пережечь» определенные перемычки путем пропускания через них тока

достаточной величины. Кристаллы ППЗУ обычно содержат специальные

электронные схемы для формирования пережигающих токов, что увеличивает

их площадь на 40—50%.

В ранних серийно выпускаемых ППЗУ плавкие перемычки выполнялись из

нихрома. Как выяснилось, пережженные нихромовые перемычки имели

тенденцию к постепенному самовосстановлению. Дело в том, что расплавление

нихрома происходит без кислорода под защитным слоем, и распыленный

порошок нихрома под действием электрического поля постепенно кри-

сталлизуется, что и приводит в конце концов к восстановлению перемычки.

Рис. 6.1.2. ППЗУ на диодах.

Чтобы избавиться от самовосстановления перемычек, они изготавливаются,

например, из поликремния (рис. 6.1.2). Такое ППЗУ типа 3636-1 фирмы Intel

емкостью 16К бит обладает временем обращения не более 65 нс. Другие фирмы

144

изготавливают плавкие перемычки из сплава титана с вольфрамом, из силицида

платины и т. д. В зависимости от использованного материала ЗЭ ППЗУ может

иметь ту или иную структуру.

• Стираемые ПЗУ

В отличие от ПЗУ и ППЗУ, которые не допускают изменения однажды

записанной информации, в стираемые ПЗУ информацию можно записывать

многократно. Поскольку перезапись информации обычно требует приложения

высокого напряжения и значительного времени, такая перезапись осуществля-

ется редко. В этом смысле стираемые ПЗУ используются главным образом для

считывания информации, хотя время от времени информация может и

перезаписываться. Длительность хранения записанной информации может

доходить до нескольких лет и более. Поэтому стираемые ПЗУ часто называют

энергонезависимой памятью (памятью с сохранением информации при

выключении электропитания). Существует много различных типов стираемых

ПЗУ, незначительно отличающихся принципами действия и структурой;

каждый тип имеет разновидности.

К стираемым программируемым ПЗУ (СППЗУ) относятся ПЗУ, в которых

информация стирается одновременно во всех ЗЭ с помощью

ультрафиолетового облучения; а затем новая информация электрически

записывается в каждый элемент. В качестве примера СППЗУ на рис. 6.1.3

изображен лавинно-инжекционный МОП-транзистор с «плавающим» затвором

(ПЛМОП-транзистор). Этот прибор отличается наличием «плавающего»

затвора, полностью изолированного со всех сторон окислом кремния и

расположенного под обычным затвором. Каждый ПЛМОП-транзистор образует

ЗЭ. Информация записывается в него следующим образом. Сначала все ЗЭ

подвергаются облучению ультрафиолетовым светом в течение нескольких

минут, и электроны, которые могли находиться в зонах плавающих затворов

(от предыдущих циклов записи информации) возбуждаются ультрафиолетом и

стекают на подложку. В результате плавающие затворы всех ЗЭ освобожда-

ются от электронов, т, е. во все ЗЭ записывается логический 0.

Затем к затворам тех ЗЭ, в которые требуется записать 1, прикладывается на

время порядка миллисекунд положительное напряжение величиной 25—40 В,

которое значительно выше рабочего напряжения (около 5 В). Под действием

приложенного напряжения электроны проникают из подложки в плавающий

затвор через тонкий слой диэлектрика. Таким образом, наличие электронов в

плавающем затворе обозначает логическую 1, а отсутствие — логический 0.

Рис. 6.1.3. ПЛМОП. Рис. 6.1.4. МНОП.

145

146

Поскольку плавающий затвор окружен изолирующим слоем, электроны,

попавшие в область затвора, уже не могут ее покинуть. В действительности

имеет место незначительная утечка электронов, что приводит к постепенной

потере информации (по утверждению отдельных фирм-изготовителей,

информация в ПЛМОП-приборах хранится по крайней мере 10 лет).

Считывание требует значительно меньшего времени, чем запись и

осуществляется без потери информации. Для считывания необходимо

приложить к обычному затвору положительное напряжение. Если в плавающем

затворе нет электронов, промежуток исток — сток становится проводящим.

Если в плавающем затворе имеются электроны, они своим зарядом экранируют

затвор, и промежуток исток — сток остается непроводящим. Следует заметить,

что время считывания информации ЗЭ на ПЛМОП-транзисторах несколько

больше, чем для ЗЭ других типов.

Электрически программируемые ПЗУ (ЭППЗУ) и электрически стираемые

ПЗУ (ЭСПЗУ) не требуют стирания информации ультрафиолетовым

облучением. Электрические заряды заносятся в ЗЭ и удаляются из них путем

приложения высокого напряжения. Примером элемента ЭСПЗУ является

структура металл — нитрид — окисел — полупроводник (МНОП), изо-

браженная на рис. 6.1.4. В ПЗУ этого типа информация стирается

одновременно во всех ЗЭ. В отличие от ПЛМОП здесь электрический заряд

хранится не в плавающем затворе, а в пограничной области между слоем

нитрида кремния и тонким слоем двуокиси кремния. Примером ЭППЗУ

является структура с плавающим затвором и туннельным переходом

(ПЛТМОП). В таких ПЗУ информация стирается электрически бит за битом (в

таком режиме также можно использовать ПЛМОП).

Можно привести много примеров применения стираемых ПЗУ. В частности,

СПЗУ удобно пользоваться в процессе отладки программ, которые в

окончательном виде должны быть записаны в ПЗУ, запускаемые в массовое

производство.

• Запоминающие устройства с произвольной выборкой (ЗУПВ)

ЗУПВ состоит из запоминающих элементов, дешифратора адреса, регистра

памяти и схемы управления записью-считыванием (рис. 6.1.5). Детали

приведенной структуры могут варьироваться. ЗЭ, каждый из которых хранит

информацию (логический 0 или логическую 1), образуют матрицу. Когда в

дешифратор поступает код адреса (А

,...,А

), выходные сигналы

дешифратора выбирают строку ЗЭ, соответствующую данному коду адреса.

Затем информация, записанная в этих элементах, считывается с помощью схем

управления в регистр памяти, либо информация, находящаяся в регистре

памяти, записывается в выбранные ЗЭ.

В зависимости от типа электронных схем, используемых для хранения

информации ЗЭ, ЗУПВ подразделяются на статические и динамические.

Рис. 6.1.5. Структура запоминающего устройства.

Статические ЗУПВ

Каждый ЗЭ статического ЗУПВ содержит триггер. Таким образом, записанная

информация сохраняется, пока включен источник питания. На рис. 6.1.6 и 6.1.7

приведены некоторые примеры ЗЭ из множества возможных вариантов

(напряжение Е

на рис. 6.2.7 обычно заземляется). В матрице запоминающих

элементов каждая пара разрядных линий (линии прямого и инверсного выходов

ЗЭ) связывает все ЗЭ данного столбца, а каждая словарная линия связывает все

ЗЭ данной строки.

Предположим, что мы хотим записать логическую единицу в ЗЭ, например в

триггер, изображенный на рис. 6.1.6 (два диода в верхней части схемы

предназначены просто для улучшения ее характеристик). Для этого на

разрядную линию прямых выходов ЗЭ и словарную линию подается высокое

напряжение (около 0,8 В для разрядной линии и значительно более высокое для

словарной линии), в то время как на разрядной линии инверсных выходов

поддерживается низкое напряжение. Тогда от словарной линии к разрядной

линии инверсных выходов через резистор R

и транзистор Т

начинает

протекать ток, потому что напряжение на базе Т

выше, чем на эмиттере E

Увеличение напряжения на словарной линии приводит также к росту

Рис. 6.2.7. Элемент статического ЗУПВ на МОП-транзисторах.

147

148

напряжения в точке P, и через эмиттер E

протекает больший ток, чем через

сопротивление, независимо от того, протекал ли перед этим ток через эмиттер

или Еь. При этом транзистор T

становится непроводящим из-за низкого

напряжения на его базе. Когда напряжение на разрядной линии и на словарной

линии снова возвращается к исходному низкому значению, ток переключается

от Е

к Е

и начинает протекать через R

и Е

. Триггер теперь будет сохранять

это состояние (через R

и T

ток протекает, а через R

и Т

— нет) и это означа-

ет, что в ЗЭ хранится логическая 1.

Если мы хотим записать логический нуль, на разрядную линию инверсных

выходов и словарную линию подается высокое напряжение, в то время как на

разрядной линии прямых выходов напряжение остается низким. Тогда триггер

переключается и ток начинает протекать через R

и T

. Это означает, что в ЗЭ

хранится логический 0.

Если необходимо считать информацию, хранящуюся в ЗЭ (рис. 6.1.6), на

словарную линию подается высокое напряжение. Это приводит к росту тока

через R и увеличению напряжения в точке Р. Ток от источника питания

начинает проходить по одной из разрядных линий через транзистор T

либо

через транзистор T

в зависимости от того, записаны ли в ЗЭ единица или нуль

соответственно.

В запоминающий элемент, изображенный на рис. 6.2.7, информация

записывается аналогичным образом.

ЗУ на биполярных транзисторах улучшаются с каждым годом: уменьшаются

их размеры и увеличивается быстродействие. Например, ЗУПВ типа 93471

фирмы Fairchild емкостью 4К. в начале выпуска в 1977 г. размещалось в

кристалле размером 15 мм

, в 1978 г. размеры кристалла уменьшились на 26%,

и наконец в 1979 г. в результате использования технологии «Isoplanar-S»,

размер кристалла был доведен до 8 мм

, что составляет приблизительно

половину от первоначального значения. Использование изопланарной

технологии и увеличение плотности компоновки ЗЭ привело к повышению

быстродействия ЗУПВ на биполярных транзисторах.

Благодаря регулярной структуре, статические ЗУПВ допускают заметно

большую плотность компоновки элементов, чем нерегулярные логические

схемы, и 8 бит статического ЗУПВ занимают приблизительно ту же площадь,

что один логический вентиль.

На рис. 6.1.7, а также 6.1.8,а изображен статический ЗЭ, в котором в

качестве нагрузочных резисторов использованы МОП-транзисторы с

встроенным каналом (так называемые «обедненные нагрузки»). На рис. 6.1.8,б

представлена топологическая схема такого элемента. В ЗЭ на рис. 6.1.8,в эти

транзисторы заменены поликремниевыми нагрузочными резисторами,

формируемыми на изоляционном слое двуокиси кремния. Сопротивление

поликремниевых резисторов подбирается путем внедрения примесей.

Использование поликремниевых нагрузочных резисторов имеет то

преимущество, что размер ЗЭ уменьшается на 40% (рис. 6.1.8,г). Поскольку

поликремниевые резисторы имеют значительно большее сопротивление, чем

диффузионные резисторы, то их нельзя использовать в качестве нагрузок

логических вентилей на МОП-транзисторах. (Действительно, большое

сопротивление поликремниевого нагрузочного резистора ограничивает

величину протекающего тока, и быстродействие вентиля оказывается не-

высоким.) Однако большое сопротивление поликремниевых резисторов не

препятствует их использованию в статических ЗЭ на МОП-транзисторах.

Действительно, ток, поступающий из разрядных линий при записи, должен

иметь величину, достаточную лишь для изменения состояния ЗЭ. В процессе

считывания состояние ЗЭ не изменяется.

Рис. 6.1.8. Статические ЗЭ на МОП-транзисторах.

За последние годы быстродействие статических ЗУПВ на МОП-

транзисторах существенно увеличилось и приближается сейчас к

быстродействию ЗУПВ на биполярных транзисторах.

• Динамические ЗУПВ

149

Каждый ЗЭ динамического ЗУПВ хранит информацию, запасая

электрический заряд на очень малой емкости, обычно называемой

запоминающей емкостью. Логический 0 представляется наличием заряда на

запоминающей емкости в ЗЭ ЗУПВ логическая 1— его отсутствием (либо,

наоборот, 0 — отсутствием заряда и 1— его наличием). На рис. 6.1.9

представлена принципиальная схема динамического ЗУПВ, на которой сток

МОП-транзистора соединен с выводом источника питания Е

через

запоминающий конденсатор С небольшой емкости (вывод Е

обычно

заземляется). Для того чтобы записать в ЗЭ логическую 1, высокое напряжение

подается на разрядные линии и повышается напряжение на словарной линии.

МОП-транзистор становится проводящим и конденсатор С заряжается. Когда

напряжение на словарной линии возвращается в исходное состояние, ин-

формация в виде электрического заряда определенной величины сохраняется

на конденсаторе С. Для записи логического 0 напряжение на словарной линии

повышается при низком напряжении на разрядной линии. В этом случае заряд

конденсатора С окажется равным 0 (как уже отмечалось выше, отсутствие

заряда на конденсаторе С может обозначать логическую 1, а его наличие —

логический 0). Чтобы считать записанную информацию, надо повысить

напряжение на словарной линии. При этом заряд с конденсатора С считывается

на разрядную линию.

Рис. 6.1.9. Динамический ЗЭ на МОП-транзисторе.

Поскольку запоминающий конденсатор С постепенно самопроизвольно

разряжается, заряд на нем необходимо периодически возобновлять, чтобы не

допустить потери информации. Другими словами, информация в ЗЭ должна

регенерироваться. Частота регенерации зависит от сопротивления утечки

МОП-транзистора, которое быстро уменьшается с ростом температуры (при

70 °С типичное значение периода регенерации составляет 2 мс, но при более

низких температурах период может возрасти до сотен миллисекунд).

Например, для ЗУПВ емкостью 16К частота регенерации составляет

приблизительно 500 Гц, при этом на регенерацию тратится около 2,4% общего

времени работы ЗУ. Регенерация является недостатком динамического ЗУ по

сравнению со статическим ЗУ на МОП-транзисторах. Из-за того что в

динамическом ЗЭ вместо триггера используется один МОП-транзистор, такой

элемент занимает гораздо меньше места. Так, на той же площади кристалла

вместо одного элемента статического ЗУПВ можно разместить в зависимости

от технологии 4—10 динамических ЗЭ.

150