超大规模集成电路设计的基本原理简介

一、概述

上面讲到的电路设计与布图，都是按照常规工艺考虑的，一般用于中小规模MOS集成电路。MOS技术发展的速度是很惊人的，MOS集成电路在性能和集成度方面，大约每年要翻一番。在七十年代，MOS芯片已经从最初速度较低（ms数量级）、集成度不高的移位寄存器、门电路和触发器，发展到了速度相当高（ns数量级）、集成度为上万个元件的微处理机芯片。七十年代末期，MOS技术已向采用5V单电源的N沟道超大规模集成电路方面发展，这种电路能以低于100ns的周期执行复杂的计算指令，以低于50ns的时间实现静态和动态存贮操作，而这些操作的功耗都是极低的。超大规模集成电路设计。

MOS电路的性能和集成度的提高，其共同的方法是缩短基本MOS FET的有效沟道长度或源漏扩散区之间的间距。

实现短沟道，目前有两种途径：一种是依靠双扩散工艺，即在MOS栅下面做成一个5μm的较长沟道的耗尽型器件和一个1μm短沟道的增强型器件的串联结构，它的有效沟道长度可由翻扩散来控制，如图5-25所示。如果这种双扩散结构图形为垂直时（如图5-26所示），即为VMOS。VMOS晶体管的表面，位于硅村底经过各向异性腐蚀所得到的V型槽面上。这两种双扩散结构的器件，都需要与常规的硅栅工艺有明显不同的新工艺和新的电路结构。

缩短沟道的另一种途径是直接将MOS器件的尺寸和性能参数按比例缩小，即按比例缩小常规N沟硅栅结构的MOS器件。超大规模集成电路设计。通过按比例缩小的器件，便能达到更高的速度、集成度及更低的功耗。本节将概要叙述大规模、超大规模集成电路设计中应用的按比例缩小原理。

二、按比例缩小设计原理

自从1977年类特尔公司应用按比例缩小原理制成了高性能MOS器件（HMOS）以来，这种设计原理已逐渐成为大规模、超大规模集成电路设计的指南，得到了广泛的应用。因为它有以下几个突出的优点：

①按比例缩小器件的尺寸和参数，方法比较简单，不要求对常规工艺进行任何改革，因此，可以不需要增加成本，而充分发挥常规工艺的作用，使原来的生产经验迅速地在生产线上建立起来。

②由于它是直接从常规工艺发展过来的，所以既不需要重新设计器件的结构，也不需要复杂的电路结构。

③随着光刻、热处理过程的改善及精细加工技术（如电子束曝光）的采用，按比例缩小原理适用于愈来愈小的电路图形，是改善设计的理想方法。

1、缩小原理

为了设计比较小的沟道长度 L 的器件，并保持适当的阈值电压和漏源击穿电压，器件按比例缩小的理论认为，必须按比例地变换三个变量，即器件的尺寸、电压和衬底掺杂浓度。

首先，将器件的全部线性尺寸缩小S倍（S>1）。这种缩小包括垂直方向，如栅绝缘层厚度结深以及水平方向，如沟道长度L、沟道宽度W。超大规模集成电路设计。于是，由这些新的参数构成新的按比例缩小器件。

其次，应用于器件上的工作电压，也按同样的比例因子缩小。如。

第三、由于要保持适当的阈电压和漏源击穿电压，对掺杂浓度必须扩大S倍，即。

例如，图5-27所示为按比例缩小原理示意图。其中图（a）为常规工艺的器件结构，它的。图（b）为按比例缩小的器件（设S=5），它的。

2、电路性能变化

按照上述原则缩小后，器件和电路的性能也随着发生明显的变化。

（1）由于缩小了电压和增加了杂质浓度，耗尽层宽度随着器件尺寸缩小的比例缩小了，即。

（2）因为缩小了S倍，所以阈电压也按同样的比例近似都缩小了S倍，即。

（3）在N沟道器件中通常使用的衬底偏置电压，也可作相应的减小。

（4）加在源结和漏结上的电压降，或者加在栅下边耗尽区上的电压降都缩小了S倍。

（5）描写MOS FET器件特性的全部方程，也可按比例缩小S倍，如。

（6）由于电压与电流都缩小了S倍，因此功耗缩小了倍。

（7）电极间距缩小了S倍，并且栅绝缘层较薄和减小了耗尽层的宽度，所以全部电路原件的电容缩小了S倍，因此，每个电路的延迟时间也随着缩小S倍。

（8）功率与延迟时间乘积缩小了倍。

将上述按比例缩小器件构成的电路参数，归纳于表5-5中。可见器件和电路按比例缩小以后，电路的集成度、功耗及速度等性能得到很大的提高。

3、存在问题

按比例缩小原理提出后，对MOS集成电路的发展起了相当大的促进作用，但它本身尚有一些没有解决的问题。超大规模集成电路设计。例如在亚阈值区（指MOS反型沟道形成之前）或弱反型区，器件的参数不能按比例缩小，故亚阈区的源-漏泄漏电流不能降低，因为漏电流是随温度升高而越趋严重的，所以按比例缩小原理要受到温度的限制。又如，由于所有的尺寸都按比例缩小，会使给定的引线电阻和导线中的电流密度扩大S倍，前者影响了传输速度，后者会影响电路的可靠性。另外，由于器件尺寸不断缩小，所需的电源电压相应地愈来愈低，可能降低到2~3V，这与当前TTL及通用系统普遍采用5V电源是不相容。超大规模集成电路设计。如果要维持5V 电源，则器件内部的平均电场就要增大，从而会产生诸如影响阈值电压、沟道穿通电压降低等次级效应。这些将有待于进一步研究解决。

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