Метод повышения характеристик СБИС на основе комплементарных ПТШ

Секция конструирования электронных систем

УДК 621.3.049.77.001.66

Е.А. Рындин МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СБИС НА ОСНОВЕ КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ПТШ

Одной из основных проблем, решаемых при создании субмикронных СБИС, является снижение мощности и энергии переключения интегральных логических элементов (ЛЭ) при сохранении их высокого быстродействия [1, 2].

Полевые транзисторы с управляющими переходами Шоттки (ПТШ) имеют в этом отношении определенные преимущества по сравнению с биполярными и МДП-транзисторами, связанные в основном с возможностью использования более .

Основными недостатками интегральных логических элементов на основе комплементарных нормально закрытых ПТШ являются низкая термостабильность и узкий диапазон рабочих температур, обусловленные зависимостями пороговых напряжений ПТШ и контактной разности потенциалов управляющих переходов Шоттки от температуры.

Для устранения указанных недостатков, повышения быстродействия и снижения энергии переключения комплементарных ПТШ-элементов разработан метод низковольтного термозависимого питания. В рамках данного метода напряжение питания ЛЭ изменяется пропорционально температурному изменению контактной разности потенциалов управляющих переходов Шоттки. Это позволяет, с одной ,

за счет снижения максимального прямого смещения на управляющих переходах Шоттки с повышением рабочей температуры, а с другой стороны - обеспечить пентодные выходные характеристики ПТШ в широком диапазоне температур. Результаты моделирования ЛЭ на основе кремния

( 27

до 105°С для Б1 и от 27 до 206°С для Б1С) примерно в 14 раз сократить время задержки ЛЭ ^ (рис. 1,6 и 2,6) при 34-кратном уменьшении средней мощности Р (до 10-8 - 10-9 Вт; см. рис. 1,а и 2,а) и 500-кратном снижении энергии переключения Р1 (до 10-19 Дж при максимальных частотах переключения ЛЭ более 2-5 ГГц; см. рис.

1, 2, ).

Результаты моделирования показывают, что по сравнению с характеристиками, полученными при фиксированных напряжениях питания для температур, близких к максимальной, время задержки сократилось примерно в 2 раза, мощность - в 35 раз, энергия переключения - в 100 раз.

б

Рис.1. Температурные зависимости параметров ЛЭ на основе 81

ипит, В

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

20

60

Р, мкВт

0,35

100 140

т,°с

180

1)пИТ“ р „

о

220

и, ФДж

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

0,3 0,25 -0,2 -0,15 0,1  0,05

01

20

60 100 140 180

т,°с

1з — И «

*з, пс

1000

800

600

400

200

О

220

а

Рис. 2. Температурные зависимости параметров ЛЭ на основе

Анализ температурных зависимостей параметров ЛЭ свидетельствует о возможности реализации быстродействующих СБИС (с рабочими частотами более 25 ГГ ц) 8-9-й степеней интеграции, характеризующихся потребляемой мощностью менее 1 Вт и достаточно широким диапазоном рабочих температур.

Одним из основных ограничений минимальной длины канала полевых транзисторов с управляющими переходами Шоттки является модуляция длины канала, приводящая к триодным ВАХ.

С целью устранения эффекта модуляции длины канала разработана конструкция ПТШ с током, ограниченным пространственным зарядом (ТОПЗ), в котором весь канал представляет собой область пространственного заряда. Управление током стока осуществляется посредством изменения высоты потенциального барьера -,

истока и канала. Высота потенциального барьера определяется напряжением затвор-исток и слабо зависит от напряжения сток-исток благодаря малой толщине

а

б

канала у истока и двухсекционному затвору Шоттки. Вертикальная ориентация позволяет сократить длину канала до десятков нанометров. Пентодный характер ВАХ является следствием насыщения скорости дрейфа носителей при высоких значениях напряженности поля, соответствующих длине канала менее 100 нм. Для обеспечения равномерного распределения напряженности поля в канале и устранения эффекта лавинной ионизации потенциальный барьер имеет треугольную форму благодаря линейному увеличению толщины канала в направлении от истока к стоку. На рис. 3 приведены выходные характеристики ПТШ с ТОПЗ с каналом п-типа (дайна канала 25 нм), полученные на основе разработанной физико-,

напряженности поля и концентрации легирующей примеси, баллистический пролет носителей в канале и туннельный эффект. На рис. 4 приведена зависимость задержки переключения интегрального логического элемента на основе комплементарных обедненных ПТШ от длины канала.

Ud, В L, нм

Рис.3. Выходные ВАХ ПТШ с ТОПЗ Рис. 4. Зависимость задержки

ЛЭ от длины каналов ПТШ

Результаты моделирования показывают, что пентодный характер ВАХ и высокая крутизна транзисторов с ТОПЗ позволяют проектировать сверхбыстродействующие СБИС на их основе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Eaglesham D.J. 0.18|im CMOS and beyond // DAC-36, 1999.

2. International Technology Roadmap on Semiconductor, 1998. www.itrs.org.

УДК 621.3.049.77.001.66

A.B. Ковалев ЧЕТЫРЕХСТОРОННИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗАКАЗНЫХ СБИС

Конструктивные варианты логических элементов, позволяющие достичь сте-108 2, -сторов активно исследуются для определения технологичности и целесообразности