Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Hitachi/D19790426Elc029.shtml

Супер-К/МОП ЗУ с произвольной выборкой

Статические ЗУ с произвольной выборкой, выполненные на К/МОП-приборах, привлекают разработчиков систем памяти своей малой рассеиваемой мощностью, которая примерно в 10 раз меньше, чем у n-канальных МОП ЗУ. Не следует, однако, забывать, что по быстродействию эти приборы традиционно отстают от статических n-канальных МОП ЗУ примерно на одно поколение и почти настолько же по плотности упаковки. Тем не менее при сравнении биполярных и МОП ЗУ по таким показателям, как стоимость, рабочие характеристики и доступность (наличие в продаже), К/МОП-приборы позволяют дополнить перечень преимуществ МОП ЗУ еще одним важным свойством — очень малым потреблением мощности.

В настоящее время статические К/МОП ЗУ вытесняют, если не сказать больше, n-канальные МОП ЗУ из таких областей применения, как системы памяти умеренного быстродействия, для которых очень важным требованием является уменьшение потребляемой мощности. Кроме того, разработанные за последние несколько лет процессы изготовления высококачественных К/МОП-приборов начинают приносить реальные результаты в виде приборов памяти повышенного быстродействия.

Первые серийные приборы. Уже несколько изготовителей ЗУ, освоивших передовые технологические методы изготовления К/МОП-приборов с самосовмещенными затворами и окисной изоляцией, достигли принципиально важного рубежа — ими созданы ЗУ с временем выборки 55 нc. Однако первой среди этих фирм, выпустившей серийный прибор, стала Hitachi Ltd., в ЗУ которой применена n-канальная матрица памяти с периферийными К/МОП-схемами, что обеспечило получение высокого быстродействия и малой рассеиваемой мощности. Цель создания этого нового ЗУПВ емкостью 4096*1, которому фирма присвоила маркировку 6147, достаточно ясна: оно полностью совместимо по разводке выводов корпуса со стандартным для отрасли прибором 2147 фирмы Intel.

ЗУ 6147, фотография кристалла которого показана справа, представляет собой исключительно интересный прибор. Оно выполнено по технологии с 3-мкм топологическими проектными нормами, которую специалисты токийской фирмы Hitachi назвали Hi-C-MOS. В конструкции этого ЗУ применен ряд интересных технических решений: например, в ней использованы диффузионные карманы как p-, так и n-типа, а в качестве выходных усилителей применены биполярные транзисторы. Специалисты одной американской фирмы, выпускающей К/МОП БИС, которые имели возможность изучить конструкцию новой схемы, нашли ее «чрезвычайно оригинальной как по технологии, так и по конструкции».

Кристалл нового ЗУ имеет площадь 11 мм2, что существенно меньше по сравнению с площадью кристалла ЗУ 2147 фирмы Intel, равной 16 мм2. Более того, максимальное время выборки ЗУ 6147 по адресу равно 55 нc и совпадает с максимальным временем выборки этого ЗУ по выходу выбора кристалла, также равным 55 нс, поэтому при его использовании полностью исключаются потери быстродействия при переводе ЗУ в невыбранный режим на короткое время (в ЗУ фирмы Intel эти потери есть). Но наибольшее впечатление производят мощностные характеристики прибора в режиме хранения: стандартная модель в наихудшем случае рассеивает 4,2 мВт, а маломощная отбираемая специально, еще меньше — всего 520 мкВт.

Однако в режиме обращения мощностные характеристики ЗУ оказываются уже не столь блестящими: для него имеет место свойственная всем К/МОП-приборам зависимость рассеиваемой мощности от рабочей частоты. Поэтому из паспортных данных прибора нельзя однозначно определить максимальную рассеиваемую им мощность. Типовое значение его среднего рабочего тока задано равным 14 мА, что в переводе на мощность дает 73,5 мВт, однако эта характеристика соответствует длительности цикла обращения 150 не. Вполне вероятно, что абсолютный максимум рассеиваемой мощности в наихудшем случае превышает 0,5 Вт и может достигать 900 мВт — величины, оговоренной для ЗУ 2147. Все же главное преимущество К/МОП ЗУ заключается в его малой потребляемой мощности в режиме хранения.

Чтобы получить столь малую мощность при наличии матрицы памяти на n-канальных транзисторах, специалисты фирмы Hitachi используют сверхвысокоомные поликремниевые нагрузки — эти легированные фосфором резисторы имеют сопротивления астрономической величины, порядка 40 ГОм. А поскольку статические ЗУПВ с поликремниевыми резисторами даже с намного меньшими сопротивлениями оказались подверженными сбоям под действием альфа-излучения1{Электроника, 1979, №6, «Сообщения»}, то в приборе 6147 подобные сбои должны были бы быть весьма частыми.

Ничего подобного, говорят специалисты фирмы Hitachi; по их словам, в ЗУ 6147 подобные сбои отсутствуют, пока напряжение питания не снизится примерно до 1,5 В. В качестве объяснения они ссылаютя на оригинальную конструкцию кристалла ЗУ: n-канальные транзисторы матрицы памяти помещены в заземленном кармане p-типа, сформированном в подложке n-типа, подключенной к положительному полюсу источника питания. Образующееся электрическое поле оттягивает в подложку паразитные носители заряда, генерируемые под действием удара альфа-частицы. Специалисты фирмы Hitachi настолько уверены в отсутствии сбоев в своем приборе, что собираются уже в третьем квартале 1979г. выпустить в продажу опытные образцы статического ЗУ емкостью 16384*1 бит, представляющего собой вариант прибора 6147 с уменьшенными геометрическими размерами.

Отрицательное воздействие альфа-частиц на стандартные n-канальные ЗУПВ может оказаться главным фактором, определяющим повышенное внимание специалистов к статическим К/МОП ЗУ. С помощью К/МОП-технологии можно получать приборы памяти с малой рассеиваемой мощностью без какого-либо повышения их восприимчивости к воздействию альфа-частиц, тогда как снижение потребляемой мощности у n-канальных приборов влечет за собой увеличение их восприимчивости к альфа-излучению. Рассмотрим различнькэ методы снижения потребляемой мощности, предлагает Джеймс Форд, управляющий разработками СБИС в отделении цифровых систем отображения компании Control Data Corp. (Миннеаполис).

Чувствительность к альфа-излучению. «Снижение мощности в n-канальных ЗУ осуществляется путем использования либо нагрузочных МОП-приборов с очень малой крутизной, либо чрезвычайно высокоомных нагрузочных резисторов, — говорит он. — В обоих случаях такой запоминающий элемент по самой своей структуре склонен к ложным переключениям в моменты, когда под действием альфа-частицы в его закрытое плечо инжектируются носители заряда».

«В К/МОП ЗУ снижение мощности обеспечивается тем, что последовательно с открытым МОП-транзистором включен закрытый транзистор. Эффективное сопротивление этого открытого транзистора лежит в пределах от 2 до 5 кОм, т.е. оно на 3—6 порядков величины меньше, чем сопротивлчэния нагрузок в n-канальных МОП ЗУ. Когда альфа-частица попадает в запомиающий элемент К/МОП ЗУ, то индуцируемый ею ток без труда «усваивается» транзистором, находящимся в данный момент в открытом состоянии, выступая по отношению к нему как втекающий или вытекающий ток и не вызывая изменения состояния запоминающего элемента».

Возможно, что именно по этой причине главные изготовители К/МОП-приборов в США начали применять конструктивные ухищрения, придуманные изготовителями n-канальных МОП ЗУ. Например, компания Harris Corp. (Мельбурн, шт.Флорида) в настоящее время выпускает К/МОП ЗУПВ емкостью 1024 и 4096 бит, которые, имея времена выборки в несколько сотен наносекунд, применяются главным образом в тех устройствах, где требуется исключительно малое потребление мощности.

Однако уже два года назад специалисты этой компании выявили потребность в ЗУ, сочетающих малое потребление мощности с высоким быстродействием, — подобные ЗУПВ охотно стали бы покупать как военные заказчики, так и изготовители больших ЭВМ, — и фирма определенно будет прилагать все усилия, чтобы освоить рынок подобных приборов. По словам Джеймса Таунсенда, занимающегося перспективным планированием продукции, фирма Harris сейчас выпускает с помощью своей К/МОП-технологии уже пятое поколение приборов. Каждое из них отличается от предыдущего каким-либо дополнительным усовершенствованием технологического процесса, обеспечивающим определенное повышение быстродействия или плотности упаковки БИС. «Мы в настоящее время сводим на нет тот разрыв в быстродействии, который существует между нашими изделиями и n-МОП-приборами, точно так же, как изготовители n-МОП-приборов сокращают разрыв в быстродействии между своими изделиями и биполярными БИС», — говорит Таунсенд.

Он не стал вдаваться в детали усовершенствований технологического процесса, однако вполне можно быть уверенным, что они близки к тем, которые сейчас начинают внедрять другие изготовители К/МОП-приборов. Помимо более жестких топологических проектных норм по сравнению с принятыми сейчас умеренными 4—4,5 мкм фирмы American Microsystems Inc. и Intersil Inc. (обе в Купертино, шт.Калифорния), полупроводниковое объединение компании Motorola Inc., фирма Solid State Systems Inc. (Монтгомеривилл, шт.Пенсильвания) и другие применяют в настоящее время различные варианты методов самосовмещения и локального окисления, направленных на снижение паразитных емкостей, ограничивающих быстродействие К/МОП-схем.

Рост быстродействия. Как сообщают, фирма Harris уже начала продажу опытных образцов ЗУПВ емкостью 1К с максимальными временами выборки 50 нс, не используя полностью возможностей, предоставляемых более жесткими проектными нормами — при максимальном размере линий технология фирмы Harris близка к технологии H-MOS фирмы Intel. В самом деле, вполне вероятно, что в 1980г. К/МОП ЗУПВ с быстродействием лучше 100 нс уже будут свободно продаваться несколькими изготовителями.

Еще один вариант К/МОП-технологии применяют отделение интегральных схем компании RCA Corp. (Сомервилл, шт.Нью-Джерси) и отделение электронных приборов фирмы Rockwell International Corp. (Анахайм, шт.Калифорния). Специалисты этих организаций разрабатывают свои ЗУ с использованием сапфировых подложек. И хотя приборы фирмы RCA имеют преимущества по плотности упаковки — площадь кристалла ЗУПВ емкостью 4К этой фирмы составляет 15,5 мм2, тогда как у кристалла фирмы Harris она превышает 19 мм2, —- их быстродействие пока ниже того, какого можно было ожидать от КНС-технологии. Однако фирма RCA собирается выжать все возможное из преимущества своей технологии в плотности упаковки — на состоявшихся в нынешнем году конференциях ее специалисты уже сделали сообщения о конструкции разработанного ими статического ЗУПВ емкостью 16К.

Компания Toshiba Corp., которая непрерывно увеличивает объем сбыта своих К/МОП ЗУПВ емкостью 1К и 4К на американском рынке, разрабатывает на основе технологии с 3-мкм топологическими проектными нормами прибор емкостью 2К*8 бит. Опытные образцы этого ЗУ должны появиться в середине текущего года. Более того, эта токийская фирма не упускает из виду и перспективы создания быстродействующих К/МОП-приборов на сапфировых подложках. В ее лабораториях уже изготовлено ЗУ емкостью 4К с отличным временем выборки, всего 40 нс, которое, возможно, станет предшественником целой серии КНС-приборов памяти для буферных и кэшевых ЗУ. Выпуск приборов этой серии может начаться уже в будущем году.

Изготовители К/МОП ЗУ полагают, что их приборы будут всегда стоить дороже аналогичных n-канальных приборов, однако они считают, что при разнице в стоимости до 20—30% потребитель охотно пойдет на дополнительные расходы. Однако для того, чтобы действительно успешно конкурировать с изготовителями n-канальных приборов, изготовители К/МОП ЗУ должны дополнительно уменьшить размеры своих кристаллов. Специалисты фирм Harris и RCA считают, что технология с размерами элементов 2 мкм, которую они смогут освоить в 1981—82 гг., позволит изготавливать К/МОП БИС с теми же размерами кристаллов, что и n-канальные МОП БИС. Это относится к таким схемам, как статические ЗУПВ и приборы с произвольной логической структурой, в которых можно реализовать свойственные К/МОП-схемам преимущества, связанные с более экономным использованием площади при построении некоторых логических функций, в частности передающих вентилей и схем Исключающее ИЛИ. «Главное, что нам надо будет сделать, — это перейти на более компактную топологию схем», — отметил Таунсенд из фирмы Harris.

Родительская статья:

Быстродействующие статические ЗУПВ: современное состояние и перспективы

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.09 (561), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.42

Electronics Vol.52 No.8 Aprilh 26, 1979 A. McGraw-Hill Publication

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Полупроводниковая техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Hitachi/D19790426Elc029.shtml