Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840405Elc035.shtml

Совместное использование К/МОП и МОП/биполярных ИС в телефонной аппаратуре

УДК 621.3.049.774.2:621.395

Прадип Шах (Pradeep Shah)
Фирма Texas Instruments Inc. (Хьюстон, шт.Техас)

Нареш Батра (Naresh Batra)
Фирма Texas Instruments Inc. (Даллас, шт.Техас)

Манзур Гилл (Manzur Gill)
Фирма Texas Instruments Inc. (Даллас, шт.Техас)

Pradeep Shah, Naresh Batra, Manzur Gill. For telecommunications functions, C-MOS needs help from other processes, pp. 145—149.

Обсуждаются преимущества К/МОП ИС с поликремниевыми затворами и высоковольтных МОП/биполярных ИС с точки зрения их совместного использования в аппаратуре телефонной связи, открывающего путь к дальнейшему повышению уровня интеграции систем.

В отличие от логических интегральных схем общего назначения, используемых в компьютерной промышленности, схемы, предназначенные для телефонной связи, должны не только сочетать цифровые функции с аналоговыми, но и удовлетворять разнообразным техническим требованиям. Для изготовления таких сверхбольших ИС необходимо сочетать несколько видов технологий.

Несмотря на явную сложность технологии ИС, стоимость как аналоговых, так и цифровых переключательных устройств на СБИС по сравнению со стоимостью электромеханических аналогов будет продолжать снижаться (рис.1). Кроме того, цифровая переключательная аппаратура занимает обычно гораздо меньшую площадь, чем аппаратура на современных электромеханических телефонных коммутаторах: там, где раньше требовалось несколько стоек с электромеханическими компонентами, теперь достаточно одной печатной платы. С повышением степени интеграции и переходом к СБИС выигрыш в площади становится еще больше.

Кремниевые переключатели. По мере повышения уровня интеграции и перехода от гибридной технологии к ИС электромеханические переключатели в телефонных с
Рис.1. Кремниевые переключатели. По мере повышения уровня интеграции и перехода от гибридной технологии к ИС электромеханические переключатели в телефонных станциях будут заменяться более дешевыми и миниатюрными цифровыми. В процессе усовершенствования технологии их относительная стоимость будет снижаться.

Предназначенные для телефонной связи К/МОП ИС могут обеспечить достаточно высокий уровень интеграции, если использовать их в сочетании с кристаллами высоковольтных и мощных ИС, изготовленных, например, по патентованной биполярно-полевой технологии bid-FET (bipolar double-diffused field effect transistor) фирмы Texas Instruments. Усовершенствованные К/МОП ИС, такие, как 10-В линейные К/МОП ИС с n-карманом (Lin CMOS) фирмы TI, предназначенные специально для аппаратуры телефонной связи, обладают рядом преимуществ с точки зрения их использования в связных БИС и СБИС:

— Они допускают интеграцию аналоговых схем обработки сигналов за счет добавления высококачественных операционных усилителей, прецизионных и стабильных резисторов и конденсаторов.

— Маломощная логика может сочетаться с высокой плотностью размещения цифровых функций.

— За счет изменения параметров технологического процесса можно повысить рабочие напряжения до 20 В.

Выбор технологии

Специалисты по полупроводниковой технологии продолжают обсуждать вопрос о том, какой вариант К/МОП-технологии является наилучшим. Существуют по крайней мере три варианта (рис.2), позволяющие формировать приборы с n- и p-каналом. Технология с n-карманом формирует n-канальные транзисторы на исходной p-подложке аналогично n-канальной самосовмещенной МОП-технологии (с кремниевыми затворами). Приборы с p-каналом формируются в n-кармане. Технология с р-карманом, представляющая собой модификацию p-МОП-технологии, формирует n-канальные приборы в p-карманах, созданных в исходной n-подложке. В технологии с двойным карманом в исходной n- или p-подложке независимо формируются как n-, так и p-карманы.




Рис.2. Возможности технологии. Существует ряд доступных для разработчиков вариантов К/МОП-технологии. Технология с n-карманом (а) должна найти широкое применение в линейных ИС для телефонной аппаратуры, для логических схем подойдет технология с p-карманом (б), а для создания СБИС лучше использовать вариант с двойным карманом (в).

Оптимальный вариант

Ключевые соображения при выборе технологии — это получение оптимальных рабочих характеристик и плотности упаковки для заданных области применения и вида изделия, надежность, технологичность и совместимость с хорошо отработанным технологическим вариантом. Технология Lin CMOS и усовершенствованный вариант bid-FET-технологии связных ИС, использующие n-карман, позволяют получать высококачественные n-канальные приборы для аналоговых применений.

К/МОП-технология с n-карманом дает возможность создавать n-канальные транзисторы с высоким коэффициентом усиления, необходимые для линейных схем и быстродействующих буферов ввода-вывода, а также для управления большими токами. Дополнительным преимуществом является совместимость этой технологии с хорошо отработанной базовой n-МОП-технологией.

Была продемонстрирована технология изготовления базовых кристаллов вентильных матриц с одновременным использованием структур с n-карманом и двойным карманом. В этой технологии значительно увеличено число двухуровневых межсоединений, что делает трассировку менее критичной и позволяет осуществлять ее автоматически с помощью машинной программы. С другой стороны, технология с p-карманом, позволяющая создавать дополнительные n- и p-структуры и формирователи тока и совместимая с аналогичной технологией, широко используемой в промышленности, была с успехом использована для оптимизации логических ИС семейства SN74HCXX и ЗУ с высокой плотностью упаковки. В ходе разработки технологических методов и создания приборов на их основе было показано, что оба варианта в равной степени технологичны.

Третий вариант называют технологией с двойным карманом, поскольку n- и p-карманы формируются в этом случае независимо. Эта технология, разработанная несколькими фирмами — TI, AT&T, Bell Laboratories и Hitachi Inc. — отдельно друг от друга, позволяет независимо контролировать поверхностную концентрацию n- и p-каналов и создает такую границу раздела между n- и p-карманами, которая делает эту технологию более удобной для пропорциональной миниатюризации, чем технология с одним карманом. Структура с двойным карманом, сформированная на эпитаксиальной подложке (впервые сделана фирмой TI), допускает пропорциональную миниатюризацию и варьирование рабочих характеристик, а также обладает повышенной устойчивостью к защелкиванию в условиях миниатюризации. Благодаря всем этим преимуществам она часто используется при изготовлении К/МОП СБИС с проектными нормами 2 мкм или меньше.

Компромиссные решения

Основные трудности, возникающие при внедрении новой технологии в производство, связаны с необходимостью согласования технологических допусков и допустимого разброса параметров, а также с влиянием этих факторов на технические характеристики изделия, процент выхода годных и себестоимость.

Важным фактором при обновлении технологии является относительная стоимость реализации какой-либо стандартной функции с эквивалентными или улучшенными характеристиками, обеспечиваемая новой технологией, такой, как К/МОП. Прежние, более сложные варианты К/МОП-технологии требовали слишком большого числа фотошаблонов и более высоких затрат, чем отработанная n-МОП-технология. Понимание основных технологических требований, а также использование усовершенствованных методов литографии и травления позволяют значительно упростить К/МОП-технологию с n-, p- и двойным карманом. Примером может служить эволюция К/МОП-технологии изготовления миниатюризованных связных схем: как технология с p-карманом, использующая комплект из 12 фотошаблонов, так и технология с двойным карманом были усовершенствованы настолько, что оказались более или менее эквивалентными и при этом такими же или даже более простыми, нежели традиционная технология n-МОП с обеднением/обогащением, используемая для изготовления ЗУ и логических устройств.

Чтобы понять, каким образом технология Lin CMOS может быть использована для изготовления связных ИС, необходимо сначала рассмотреть ее преимущества. Технология LinCMOS использует кремниевые затворы и потому обеспечивает принципиально более высокое быстродействие, чем К/МОП-технология с металлическими затворами (см. ниже «К/МОП ИС с кремниевыми затворами превосходят К/МОП ИС с металлическими затворами»). Основными структурными элементами LinCMOS ИС являются n- и p-канальные транзисторы, поликремниевые электроды конденсаторов и полные охранные n+-кольца, которые служат также для защиты от защелкивания. Оба поликремниевых электрода могут также использоваться в качестве резисторов или межсоединений. Слои поликремния разделены слоем окисла толщиной 110 нм, что дает емкость 1 пФ для структуры размером 5*5 мкм. LinCMOS позволяет контролировать величину емкости конденсаторов, которая не зависит от приложенного напряжения и способствует получению хороших линейных характеристик подсистем, использующих метод коммутируемых конденсаторов.

N- и p-канальные транзисторы с длиной затвора 5 мкм (что соответствует эффективной длине канала 3,5 мкм) могут работать при напряжениях выше 10 В. Путем пропорционального уменьшения толщины подзатворного окисла, длины затвора и глубины переходов можно получить технологию с минимальным размером элементов 2—3 мкм. Ключевым моментом при создании высоковольтных ИС является контроль поверхностной концентрации, глубины перехода и ширины промежутков. Поверхностная концентрация n-кармана была выбрана таким образом, чтобы получить требуемые параметры p-канального прибора. Кроме того, выбранное значение поверхностной концентрации обеспечивает достаточно большую величину порогового напряжения паразитного p-канального транзистора на полевом окисле.

Выбор глубины кармана определяется тремя соображениями. Увеличение глубины кармана приводит к увеличению напряжения отсечки n-канального полевого транзистора с pn-переходом, сформированного между p+-областями истока и стока и p-подложкой, а также к сохранению проводящего участка у контактов кармана. Глубокий карман также уменьшает коэффициент усиления по току при прямом включении вертикального pnp-транзистора, образованного теми же областями, и таким образом подавляет эффект защелкивания. Однако с увеличением глубины n-кармана происходит также его расширение, что требует увеличения промежутков между n- и p-МОП-приборами и уменьшает плотность упаковки. При выборе глубины n-кармана в LinCMOS-технологии были учтены оба этих эффекта.

В общем, чтобы свести к минимуму эффект защелкивания, следует тщательно выбирать как технологию, так и топологию ИС. Технология LinCMOS позволяет уменьшить тенденцию к защелкиванию, обычно наблюдающуюся в К/МОП ИС на монокристаллических подложках, путем широкого использования локальных контактов к n-карманам и p-подложке. Эти контакты отводят избыточный ток кармана или подложки от активных приборов, увеличивая таким образом ток включения тиристора, необходимый для защелкивания, на несколько порядков величины (по сравнению с приборами с малым числом контактов). При наличии p+- и n+-колец токи включения подложки и кармана превосходят соответственно 10 и 100 мА. Топология схемы также препятствует защелкиванию, поскольку внутренние n- и p-канальный транзисторы разделены одним охранным кольцом, а выходные транзисторы разделены двойным охранным кольцом.

Технология LinCMOS применительно к связным ИС

При использовании технологии LinCMOS для изготовления связных ИС были учтены также требования линейных устройств. Применительно к операционному усилителю — базовому блоку линейных устройств — К/МОП-технология должна сохранить те преимущества, которые обеспечивает биполярная технология по сравнению с МОП-технологией: полезное усиление при малых напряжениях питания, работу вблизи граничных значений рабочего напряжения, хорошее согласование, низкий шум и хорошую синхронизацию выходного сигнала. Преимуществом LinCMOS-технологии по сравнению с биполярной является высокий входной импеданс.

LinCMOS-технология и топология изготовления связных ИС позволяют преодолеть традиционные недостатки МОП-технологии. Легированные фосфором затворы препятствуют сдвигу порогового напряжения, обусловленному подвижными ионами натрия; именно такие сдвиги делали К/МОП ИС с металлическими затворами менее подходящими для линейных применений. Таким образом, оказывается возможным достигнуть стабильной величины напряжения сдвига операционного усилителя 2 мВ. Чтобы шум был минимальным, приборы входного каскада делают более крупными, поскольку канал большего размера обладает меньшим сопротивлением и потому генерирует меньшие шумовые напряжения.

Напряжения питания МОП ИС ограничиваются двумя эффектами: напряжением пробоя стока и пороговым напряжением индуцированной полем инверсии. Увеличение концентрации имплантированной примеси в области стоп-канала приводит к увеличению порогового поля, но при этом снижается напряжение пробоя стока. Поэтому эта концентрация выбирается таким образом, чтобы оба напряжения были примерно одинаковыми (20 В). Повышение рабочих напряжений может быть достигнуто путем пересмотра топологии, например увеличением промежутков между диффузионными областями стока.

В отличие от биполярной технологии технологию LinCMOS можно использовать для изготовления схем с коммутируемыми конденсаторами, что было продемонстрировано на примере нескольких серийных ИС с фильтрами на коммутируемых конденсаторах. В этих ИС используются дифференциальные схемы для каналов высококачественной телефонной связи и схемы более низкого качества для контроля телефонной линии.

Высокий уровень интеграции

Другой вариант высоковольтной (20 В) LinCMOS-технологии позволяет удовлетворить требования операционных усилителей для коммерческой аппаратуры. При обеспечиваемом этой технологией уровне интеграции все функции платы абонентской линии, за исключением реле, батарей питания и защиты от перенапряжения, можно разместить на трех кристаллах, содержащих схему управления абонентской линией, кодек-фильтр и контроллер разделения времени. Поскольку технология LinCMOS допускает возможность пропорциональной миниатюризации, размер кристаллов ИС на плате абонентской линии может быть сделан еще меньше.

По этой же технологии были в последнее время изготовлены многочисленные схемы для телефонной связи, передачи и преобразования данных, линейных устройств и заказных изделий. Уже упоминавшаяся схема управления абонентской линией иллюстрирует высокий уровень интеграции, обеспечиваемый LinCMOS-технологией. Эта схема, выпускаемая под названием TCM4204 и предназначенная для экономически эффективной замены существующих схем преды-скателей центральной телефонной станции, осуществляет линейный контроль, контроль телефонного канала и выполняет функции интерфейса микропроцессора.

Находящаяся на кристалле схема линейного контроля, соединяющаяся с линией непосредственно через резистивный мост, обеспечивает контроллер информацией о состоянии линии. Схема управления телефонным каналом осуществляет преобразование из двухпроводной линии в четы-рехпроводную, а также содержит встроенный аттенюатор, позволяющий регулировать коэффициент усиления приема и передачи. Эта схема также осуществляет контроль потерь преобразования с помощью одной из трех имеющихся симметрирующих цепей. ИС микропроцессорного интерфейса служит для контроля последовательной передачи данных между ТСМ4204 и схемой контроля главной линии в цифровых переключательных системах. ТСМ4204, предшественниками которой являются кодек ТСМ2910 и кодек-фильтр ТСМ2912, представляет собой третий шаг на пути к созданию полностью интегральной системы коммутации каналов.

Существующий уровень технологии позволяет в лучшем случае реализовать систему из двух кристаллов, используя LinCMOS-технологию для выходной ИС и какую-либо высоковольтную технологию, например bid-FET, для входной ИС, с тем чтобы непосредственно управлять линией при напряжении до 85 В1{Электроника, 1984, №2, с.42}.

Одним из вариантов технологии, позволяющим создавать высоковольтные схемы, является технология с диэлектрической изоляцией. Недостатком этой технологии является высокая стоимость обработки пластин, связанная с необходимостью проведения дополнительной подготовки подложек. Подложки обрабатываются при очень высоких температурах, что повышает их хрупкость, приводит к их изгибу и повышению концентрации дефектов кристаллической решетки, а в конечном итоге — к снижению процента выхода по сравнению с обычными видами планарной технологии. Поскольку стоимость пластин составляет обычно значительную долю общей стоимости ИС, технология с диэлектрической изоляцией является менее экономичной, ее единственным преимуществом является возможность создания схем со сравнительно высокими рабочими напряжениями.

Таким образом, для изготовления высоковольтных ИС целесообразно использовать технологию bid-FET (рис.3). Это хорошо отработанная, экономичная и надежная технология, позволяющая размещать на одном кристалле схемы прецизионного контроля, самоизолирующую К/МОП-логику и высоковольтные интерфейсные схемы. В bid-FET ИС используется стандартный метод изоляции с помощью p-переходов.

Комбинированная технология. Технология, использующая биполярные транзисторы и полевые транзисторы с двойной диффузией, позволяет разработчикам создава
Рис.3. Комбинированная технология. Технология, использующая биполярные транзисторы и полевые транзисторы с двойной диффузией, позволяет разработчикам создавать широкий спектр полупроводниковых приборов для высоковольтных ИС, применяемых совместно с К/МОП ИС.

Существует много технологий комбинированного типа, но bid-FET — единственная производственная технология, позволяющая преодолеть ограничения, налагаемые на величину рабочих напряжений в обычных ИС, и в то же время сохранить способность к повышению уровня интеграции до БИС. Были изготовлены bid-FET ИС с рабочими напряжениями до 225 В (при отключенном стоке) и 130 В (при двухтактном включении) и напряжениями пробоя свыше 450 В. Такие параметры достигнуты путем замены обычного биполярного выходного каскада структурой МОП-транзистора с двойной диффузией (Д/МОП).

Горизонтальная структура

Чтобы рабочие параметры биполярного прибора, например переключателя, находились в пределах допустимых обратных напряжений, необходимо учитывать несколько факторов. При топологии, используемой в обычных ИС, напряжения пробоя ограничиваются толщиной эпитаксиального слоя. Практические ограничения толщины эпитаксиального слоя в обычных ИС с изолирующими переходами определяют типичное предельное значение напряжения пробоя коллектор — эмиттер, равное 70 В.

Между тем Д/МОП-транзистор представляет собой горизонтальную структуру, напряжения пробоя которой ограничиваются только эффектами лавинного умножения в объемном переходе и горизонтальной топологией (длиной канала). Пробой определяется уровнем легирования и площадью поверхности, т.е. скорее экономическими соображениями, чем физическими ограничениями. В отличие от npn-транзисторов Д/МОП-прибор может спокойно работать вблизи напряжения пробоя без риска разрушительного вторичного пробоя и без какого-либо снижения надежности.

Как показывают электрические характеристики, выходной ток Д/МОП-транзистор а практически не зависит от выходного напряжения. С точки зрения напряжения питания, а также характеристик накопления заряда Д/МОП-транзистор превосходит биполярный транзистор при использовании его в переключательных устройствах.

Благодаря разнообразию структур, реализуемых с помощью технологии bid-FET, можно получать высоковольтные схемы путем разделения схем на кристалле и использования оптимальной технологии для различных областей ИС. Помимо преимуществ, обеспечиваемых Д/МОП-структурой, следует упомянуть о том, что биполярная структура обладает надежностью и малой чувствительностью к условиям на входе. К/МОП-технология позволяет реализовать схему повышенной сложности при минимальных требованиях к потребляемой мощности и занимаемой площади кристалла. В результате удается получить высоковольтную интерфейсную схему, которая может регистрировать и обрабатывать данные, а также декодировать их и, таким образом, позволяет снизить требования к другим узлам системы.

Одним из примеров использования преимуществ технологии bid-FET является серия интегральных схем вызывного генератора ТСМ1500. На одном кристалле размещаются такие разнотипные схемы, как маломощная К/МОП-логика, высоковольтные двухтактные формирователи и стабилизаторы напряжения. Эти ИС обеспечивают защиту от выбросов напряжения, вызванных грозовыми разрядами, и позволяют решить еще две проблемы, связанные с работой вызывных генераторов, вызов неправильного номера и воздействие переменных напряжений с действующим значением до 150 В.

ИС ТСМ4201, предназначенная для использования на плате коммутации телефонных линий, использует возможности технологии bid-FET для обеспечения защиты, создания трансформаторов и конденсаторов и обеспечения напряжений питания до 85 В для длинных телефонных линий. Такая ИС в сочетании с описанными выше LinCMOS ИС на выходе позволяет разработчику систем реализовать на одной плате функции стыка для 16 абонентских линий, т.е. в 2— 4 раза больше, чем в большинстве других систем.

Дочерние статьи:

К/МОП ИС с кремниевыми затворами лучше К/МОП ИС с металлическими затворами

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.07 (688), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.72

Electronics Vol.57 No.07 April 5, 1984 A McGraw-Hill Publication

Pradeep Shah, Naresh Batra, Manzur Gill. For telecommunications functions, C-MOS needs help from other processes, pp. 145—149.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     К/МОП-технология





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


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19840405Elc035.shtml