CC BY
21
Секция конструирования электронной аппаратуры
УДК 621.3.049.771.14
А.В. Ковалев
МЕТОДИКА И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО СИНТЕЗА БИБЛИОТЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ МОДУЛЕЙ СТАТИЧЕСКИХ ОЗУ
Высокий уровень сложности современных микроэлектронных систем обусловлен интеграцией в составе одной СБИС множества разнотипных функциональных блоков. Подавляющее число сложных микроэлектронных вычислительных систем содержит в своем составе блоки статического оперативного запоминающего устройства (СОЗУ). Технические характеристики данных блоков вносят существенный вклад в параметры всей вычислительной микросистемы. Поэтому разработка новых эффективных методов проектирования блоков СОЗУ позволит повысить качественные показатели сложных микроэлектронных вычислительных систем.
Большинство существующих генераторов блоков СОЗУ использует для своей работы предварительно разработанные вручную библиотеки логических элементов, которые оптимизированы по какому-либо критерию, например по занимаемой площади или быстродействию [1]. Данная сложившаяся ситуация позволяет получать эффективные решения для определенной технологии изготовления СБИС. Однако переход на новую технологическую базу требует повторной разработки соответствующих библиотек элементов с привлечением определенных затрат времени и человеческих ресурсов, что дает дополнительный вклад в себестоимость конечного продукта и, соответственно, ухудшает его конкурентоспособность.
В данной работе предлагается методика синтеза библиотечных элементов для блоков статического ОЗУ, которая позволит сгладить проблемы перехода процесса проектирования СБИС на новый технологический базис за счет полной автоматизации этапа предпроектной подготовки к генерации блоков СОЗУ.
Разработанная методика состоит из следующих процедур:
1) задание набора используемых слоев;
2) подготовка правил проектирования, определяемых особенностями целевой технологии;
3) подготовка электрофизических параметров слоев и приборов, реализуемых по данной технологии;
4) задание конструктивных шаблонов элементарных приборов (активные области транзисторов);
5) параметризация и синтез логических элементов с учетом топологических, электрофизических и временных требований.
Задание набора используемых слоев
Набор слоев целевой технологии делится на определенные группы:
1) слои, определяемые литографическими масками;
2) слои, которые не используются при производстве, но необходимы на этапе проектирования для эффективного контроля выполнения заданных геометрических правил создания масочных слоев;
3) слои, определяющие элементарные структурные единицы (контакты, активные канальные области и др.);
4) слои, определяющие активные и пассивные топологические элементы (емкости, резисторы, транзисторы и др.).
Каждый масочный слой должен иметь геометрические ограничения его создания, а именно: минимальная ширина Wmin, минимальное расстояние между соседними областями данного слоя 8тш, минимальное расстояние между сегментами одной и той же области данного слоя Мтш (рис. 1).
Wmin Бт1п
Рис.1. Типы геометрических ограничений масочных слоев
Задание правил проектирования
Правила проектирования определяют геометрические отношения структур, образуемых различными сочетаниями масочных слоев. Данные геометрические отношения группируются следующим образом:
1) минимальное расстояние между сегментами двух масок различных слоев;
2) минимальная длина перекрытия сегментов двух масок;
3) минимальное расстояние между границами сегментов двух масок различных слоев, один из которых является внутренним по отношению ко второму;
4) максимальное отношение площадей двух соприкасающихся областей различных слоев;
5) минимальное расстояние между границами сегментов двух масок различных слоев, один из которых находится полностью внутри второго;
6) минимальная длина и ширина областей топологических слоев.
Электрофизические параметры слоев и приборов
Параметры, задаваемые на данном этапе, необходимы для экстракции электрической схемы из полученной топологии блока. В необходимый набор этих параметров входят: 8Р1СБ-параметры МОП-транзисторов, сопротивления слоев, сопротивления контактов, емкости слоев.
Параметры для МОП-транзисторов сгруппированы по типам для расчета порогового напряжения, подвижности носителей, подпороговых параметров и др.
К параметрам сопротивления слоев относятся: сопротивление квадрата слоя, температурный коэффициент сопротивления, коэффициент изменения ширины проводников, а также максимальная плотность тока, текущего по проводникам определенных слоев.
Сопротивления контактов задаются в виде отношения Ом на квадратный контакт и максимального тока, текущего через квадратный контакт.
Параметры емкости слоев включают в себя: удельную емкость площади слоя, удельную погонную емкость границы слоя, удельную емкость перекрытия затвора и легированных областей и взаимную удельную емкость проводников, лежащих в одном и том же слое.
Конструктивные шаблоны элементарных приборов
В целях унификации процесса синтеза логических элементов предлагается использовать заранее разработанные шаблоны, определяющие внутриэлементную конфигурацию масок слоев активных и коммутационных областей.
Шаблоны активных областей (МОП-транзисторов) должны удовлетворять ряду условий, а именно: иметь возможность параметризации каналов, позволять гибко изменять геометрическую форму транзисторов и применяться для различных КМОП-технологий.
В рамках данной работы разработаны шаблоны активных областей логических элементов (рис. 2), которые представляют собой три элементарных фрагмента масок слоев, формирующих канал. Различное сочетание этих фрагментов позволяет покрыть практически все возможные варианты формируемых конструкций одиночных и объединенных МОП-транзисторов в логических элементах блока СОЗУ.
а б в
Рис.2. Шаблоны активных областей
На рис. 2 вертикальные штрихпунктирные линии обозначают границы состыковки фрагментов между собой, горизонтальные пунктирные линии представляют собой границы, между которыми либо с целью параметризации может быть произведено увеличение высоты фрагмента, либо для изменения формы может быть вставлена необходимая конфигурация канала. Ширина поликремниевого затвора равна половине минимальной длины канала. Высота фрагмента равна минимально допустимой ширине затвора с заданными промежутками по краям. Границы контактирования, указанные на рис. 2, предназначены для присоединения к ним внутренних проводников логического элемента.
Фрагмент на рис. 2,а является внутренним элементом в линейке последовательно объединенных МОП-транзисторов (рис. 3).
I I I I I 18 1
Рис.3. Последовательно объединенные Рис.4. Параллельно объединенные
транзисторы транзисторы
Фрагмент на рис. 2,б - внутренний элемент в линейке параллельно объединенных МОП-транзисторов (рис. 4). Фрагмент на рис. 2,в - половина одиночного транзистора либо внешний элемент линейки объединенных МОП-транзисторов (рис. 3,4).
Параметризация и синтез логических элементов
В результате оптимизации быстродействия блока СОЗУ для определенных логических элементов может потребоваться изменение размеров транзисторных каналов. Разработанные шаблоны позволяют увеличивать длину канала до необходимой величины путем вставки дубликатов средней области соответствующее количество раз. Также, как указывалось выше, может быть изменена форма канала путем замены средней области шаблонов Г-образной конфигурацией.
Синтез логических элементов состоит:
а) в переводе размеров масок шаблонов активных и коммутационных областей в реальные геометрические размеры масок в соответствии с заданными правилами проектирования;
б) в процессе композиции полученных реальных областей в результирующие логические элементы.
Формирование областей с реальными размерами производится путем масштабирования шаблонов и, если необходимо, подгонки коммутационных областей к конкретным геометрическим позициям.
На рис. 5 показан пример композиции шаблонных областей в инверторе. Слои металла первого уровня показаны серым цветом, металл второго уровня - штриховой линией, контакты к поликремнию и диффузионным областям - черным цветом, контакты к металлу второго уровня - светло серым цветом. Границы контактирования на рис. 5, заданные в активных областях (черные линии), необходимы для точного совмещения проводников шаблона коммутационной области с контактами полученных транзисторов.
На основе разработанной методики создано программное обеспечение, позволяющее проектировщику СБИС задать необходимые технологические параметры и автоматически получить библиотеку элементов, готовую для использова-
Metal 2
Рис.5. Области транзисторов и внутренней коммутации в инверторе
ния в топологических генераторах СОЗУ. Основные функции данного ПО: ввод правил проектирования, ввод шаблонов активных и коммутационных областей логических элементов, параметризация МОП-транзисторов, формирование топологии, сохранение полученной топологии в файле. Анализ результатов работы данного программного обеспечения показал эффективность применения предложенной методики синтеза библиотеки элементов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Баринов В.В. Сверхбольшие интегральные микросхемы оперативных запоминающих устройств. М.: Радио и связь, 1991.
УДК 621.3.049.771.14.
Е.А. Рынднн
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ транзистор на основе эффекта размерного
КВАНТОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
В узких потенциальных ямах определенные изменения параметров могут приводить не только к смещению энергетических уровней, но и к их исчезновению. Данный эффект описывается следующей моделью, связывающей число разрешенных энергетических уровней ^ в квантовой яме (КЯ) с ее параметрами (рис.1) [1]:
Ий-
2Ж
к
2+1 +--агс8т
П
Юг Ш1
1 2
'-Ии+ Ь
(1)
где W - ширина КЯ; т - масса электрона; h - постоянная Планка; и1г и2 - высоты барьеров. При этом, согласно (1), вне зависимости от W при и1 = и2 в потенциальной яме будет не менее одного разрешенного состояния.
Fig.1. Квантовая яма
Fig.2. Число уровней в квантовой яме
Fig.3. Зонная диаграмма квантового транзистора
Результаты расчета числа уровней в потенциальной яме с и1 = 1,0 эВ приведены на рис. 2. На основе рассмотренного эффекта разработаны квантовые транзисторы (КТ), характеризующиеся низкой энергией переключения, высокими быстродействием и технологичностью. На рис. 3 приведена зонная диаграмма КТ данного типа. Напряжение на затворе изменяет разность параметров (и1 - и2) потенциальной ямы в области канала. При этом в зависимости от равновесного про-
