２０１２年第４期 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２０１２ （Ｓｕｍ。Ｎｏ １２０） （总第１２０期） 低温多晶硅集成电路设计与展望 韩春龙 （天津市中环系统工程有限责任公司，天津３０００７１） 摘要：对多晶硅集成电路的设计做一定的分析与展望，分析说明多晶硅薄膜的制备工艺和晶化方法、多晶硅集成电路的 设计方法、多晶硅集成电路的优势及设计难点。 关键词：多晶硅；集成电路；设计展望 中圈分类号：ＴＮ１０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３ １１３１（２０１２）０４，００５９ ０２ １概述 硅作为目前最重雾的半导体材料。在电子、能源、电气、信 息产业等多方面得到了广泛的应用和关注。多晶硅薄膜不仅 具有较高的电子迁移率。也具有与单晶硅相比更低的成本及 其薄膜的优势。 １．１多晶硅薄膜晶体管器件模型 多晶硅薄膜ＴＦＴ是以薄膜材料做有源层构成的晶体管。 薄膜材料相对于单晶硅材料而言，其结构具有明显的无序性， 因此ＴＦＴ器件的特性受到带隙问的缺陷态的诸多影响。而 且．ＴＦＴ为三端器件．衬底视为悬浮状态。因此，１＇ＦＴ器件特 性不能按照传统体硅ＭＯＳ场效应管的结构进行建模Ｈ］。 目前，业界采用的多晶硅ＴＦＴ的模型主要是蓑国加帅Ｉ大 伯克利分棱提出的ＬＥＶＩ￣Ｌ １６（Ｔｈｅｍｏｄｉｉｆ阳Ｕ，Ｃ Ｂ￣ｅｋｑｌｅｙｓＰＩ ＣＥ ３Ｅｌ ｍｏｄｔ￣１）模型及由Ｒｏｎｓｓｅｌａｏｒ Ｐｏｂ ｅｈｎ ｈｌｓｔｉｔｕｔｖ（伦斯 勒理工学院）的Ｍｉｅｈａｏｌ Ｓ。Ｓｈｕｔ教授提出的Ｌｅｖｅｌ３６（Ｔｈｔ￣ｒａｏｄｉ＝ ｉｆｏｄ ＲＰＩ ｍｏｄｏ１）模型［２】 Ｌｏｖｏ１３６模型是在普遍适用的电荷控 制理论上开发出的完整的计算机辅助设计模型。其直流大信 号模型包括了所有的工作区间，交流小信号模型精确描述了 器件寄生电容对频率特性的影响 Ｌｏｖｅ１３６模型可对具有很 大范围的器件几何尺寸和物理参数做实验数据的模型拟合 由于标准模型很太程度上是摹于理想情况下的物理机制 而设计的，在窘际中制备出的器件特性的特性曲线与标准模 型往往偏差很大 通过修改参数可以在一定程度上去近似拟 合，但这样进行仿真的结果误差是很大的。因此，如果雾进行 多晶硅集成电路方丽的设计，必须对模型进行优化，建立遁合 特定工艺生产线的工菡模犁。这样就和单晶硅集成电路的设 计非常相像了，可以由代工厂提供相应的ＰＤＩ￣（Ｐ阳ｐｅｓｓＤ￣ｓｉｇｎ Ｋｌ０，进行多晶硅集成电路的设计。 １．２多晶硅集成电路的设计流程 不同的多晶硅薄膜晶化拉术，晶化得到的多晶硅的晶粒 太小、带隙之间的缺陷态及载流子的迁移率不相同。因此，要 进行多晶硅集成电路设计，就需臻针对不同的多晶硅晶化技 术建立不同的工艺参数文件和器件结构模犁，并对不同的多 晶硅的工艺条件和器件结构进行模拟仿真及优化。 耍避行多晶硅集成电路设计，首先要从雾晶硅工艺步骤 和器件性能需求出筑，在充分理解王蓥对器件性能影响的情 况下，握出符合要求的工艺流程和器件结构定冀。确定这两 者 后，按照定鬓编写相应的工艺仿真 件，并进行二Ｉ＝蓄仿真。 最后将工苣仿真变件的数据导入器件仿真工具中进行器件仿 真，并通过分析器件仿真的结果，调整工艺流程和器件结构定 义中出现的偏差，然后重新进行整个流程的仿真。通过不断 地工艺调整和仿真，最终达到预定的设计要求，确定最终的多 晶硅工艺流程和器件结构。多晶硅工艺流程和器件结构的设 计流程，如图１所示 图１多晶硅 营流程和器件鲭构的馔计流程 确定特定条件下的多晶硅工蓥流程和器件结构后，编写 相蓑的工艺规则文件（包括ＤＲＣ、ＥＲｅ ＬＶＳ和ＰＥＸ规则 件），就可以进行多晶硅集成电路设计，设计流程如图２所示 图２多晶硅集成电路的设计流程 多晶碡集成电路的优势曩设计难点 ：ｌ多晶碡集成电路的优势 单晶硅器件和多晶硅器件他们具有各自的优势，适用于 不同的方丽，单晶硅器件主要戍用于高速的大规模集成电路 中，属于体器件，是制备于单晶硅上的。但对于非晶硅衬底和 玻璃衬底上的应用单晶硅器件就垠得为力，而多晶硅薄 膜器件的出现 是满足逵方面的应用需求，目前很多器件是 制备于非单晶砗衬底上的，例如一些传感器件和液晶显示器 的像素电路等等。要在非晶硅或者玻璃或者柔性衬底上制备 电子器件，多晶硅器件就是一个非常好的选择。 ５９ ２０１２年第４期 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２０１２ （总第１２０期） （Ｓｕｍ．Ｎｏ １２０） 一种高性能ＳＤ／ＴＦ卡控制器ＩＰ核设计 王涛，罗莉，白晗，赵天磊 （国防科学技术太学，湖南长沙４１００７３） 摘要；设计了一种高性能ＳＤ／ＴＦ卡控制器ＩＰ核。该ＩＰ核采用ＡＭＢＡ总线作为主控制器的接口，基于ＳＤ２．０技术规范。 采用Ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的ｄｅｓｉｇｎｃｏｍｐｉｌｅｒ工具，基于ＳＭＩＣ０．３５微米工艺库，完成了ＡＳＩＣ平台的综合。ＤＣ综合结果表明， 本文所提出的ＳＤ／ＴＦ卡控制器可工作在５７ＭＨｚ，面积仅为３．５万门。 关键词：ＡＭＢＡ总线；ＳＤ卡；ＴＦ卡；控制器 中图分类号：ＴＨ８２１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３．１１３１（２０１２）０４．００６０．０３ ０引言 ・ 成了ＡＳＩＣ综合。综合结果表明，该ＳＤ／ＴＦ卡控制器可工作 在５７ＭＨｚ，面积仅为３．５万门。 随着电子信息技术的不断发展，ＳＤ／ＴＦ川卡以其体积小、 功耗低、高可靠性、可擦写、非易失性等优点成为其中最为 闪亮的主流存储媒介之一。文献 设计了一种采用ＳＤ总 线的ＳＤ卡控制器，但是该控制器没有实现ＳＤ卡总线的 ＳＰＩ模式。文献 提出了一种基于ＳｏＰＣ技术的ＳＤ卡控制 器Ｉｐ核设计的架构方案。文献 设计和实现了基于Ｗｉｓ． ｈｂｏｎｅ总线接口的ＳＰＩ接口控制器ＩＰ核，但是不适用于有 高速数据传输要求的设备。文献［９ｔ 利用ＶＨＤＬ实现了符 合该规范的ＳＤ／ＭＭＣ卡控制器ＩＰ核，但是速度和资源使 用率不佳。 基于以上研究现状，本文设计了一种基于ＳＤ２．０技术规 范的ＳＤ／ＴＦ卡控制器ＩＰ核。本文提出的ＩＰ核采用Ｓｎｏｐｓｙｓ 公司的ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｍｐｉｌｅｒ工具，基于ＳＭＩＣ０．３５微米工艺库，完 ・—－ｌ ＳＤ／ＴＦ卡协议概述 ＳＤ卡支持两种通信协议模式：ＳＤ模式和ＳＰＩ模式，其中 ＳＤ模式允许４线的高速数据传输，ＳＰＩ模式允许简单通用的 ＳＰＩ通道接口。 在通信过程中，控制器只能选择其中一种通信 模式。在以上两种工作模式下，ＳＤ卡协议通过定义的ＣＭＤ 和ＡＣＭＤ两种类型的指令完成对ＳＤ卡存储器的控制和数据 传输。为了保证指令和数据传输过程中的正确性和可靠性， ＳＤ卡有两种差错控制码：ＣＲＣ。７和ＣＲＣ．１６。 ２高性能ＳＤ／ＴＦ卡控制器的ＶＬＳＩ设计 根据第２节所述的ＳＤ协议，本文所设计的ＳＤ／ＴＦ卡控 制器ＩＰ核如图１所示。其中，ＲＦＩＦＯ和ＴＦＩＦＯ是两个异步 ＦＩＦＯ，用来衔接ＡＨＢ时钟域和ＳＤ／ＴＦ卡时钟域。 ”卜一—＋～＊— 一・・—・卜 ＋”＋”＋”＋”＋一＋”＋”——卜”＋“＋一—●一”＋”＋ ＋一＋”—－－●一・ 多晶硅集成电路不会完全取代单晶硅集成电路，但是对 于一些产量需求很大并且性能要求并不高的应用来说，例如 柔性电子显示器（例如塑料衬底材料的电子报纸）、ＯＬＥＤ薄膜 晶体管犀示器、一些医疗电子产品（例如血压计）和无线传感 器系统等 低成本就是一个蓑键的因素。例如未来的柔性电 子显示器，或者传感器系统，它们工作的时钟频率不高，只有 几十赫兹，或者几百赫兹的时钟频率。这么低的工作频率对 于多晶硅器件来说，即使有很大的性能的浮动，也是可以满足 系统性能的要求的 所以这类应用就完全可以用多晶硅集成 电路取代单晶硅集成电路 在满足产品性能要求的同时，大幅 度地降低成本。 大的问题。这两种问题是实际多晶硅集成电路大规模生产的 瓶颈，也给多晶硅集成电路设计与仿真带来了一定困难。但 是，随着多晶硅晶化技术的不断创新和进步，大面积均匀性的 问题有望解决，例如ＢＧ—ＴＩＧＥＲ技术，Ａ ＳＰＣ技术及改进的激 光晶化技术等可以提高多晶硅薄膜的大面积均匀性。另外， 对于因晶化工艺不同所引起的多晶硅器件的性能差异，可以 根据各晶化工艺制备的多晶硅器件特点重新编写工艺和器件 的仿真文件，也就是说对基本的多晶硅工艺和器件仿真文件 加以不同的修正，从而形成针对不同的晶化工艺条件的多晶 硅器件的物理模型。这样就可以针对不同代工厂所提供的不 同的工艺和器件模型利用ＥＤＡ工具进行多晶硅集成电路的 设计。 现在的多晶硅集成电路的产品主要集中在小尺寸的显示 器上面，例如手机，ＭＰ３等。未来的应用趋势将会是低成本、 性能要求不高（几十赫兹到几千赫兹的时钟频率）且产量很大 的电了产品上。 ２．２多晶硅集成电路的设计难点 由于多晶硅是由晶粒尺寸不同以及相临晶粒间界所构成 的结构特点 每个薄膜晶体管的阈值电压、载流子迁移率和串 联电阻并不一致，这就导致多晶硅薄膜晶体管的输出特性具 有很太的分散性。这种器件性能分散的属性在纳米级别的单 晶硅集成电路上同样存在。多晶硅薄膜晶体管输出特性的分 散性了其很难应用于要求转换速度较高的场合 多晶硅集成电路大规模生产所面临的问题可大致分为两 种，一种是制备的多晶硅薄膜的大面积均匀性问题；另一种是 采用不同的多晶硅晶化工艺所制备的多晶硅器件性能差异较 针对多晶硅薄膜晶粒面积大小、位置及迁移率的浮动分 布所引起的多晶硅晶体管性能的差异，可以通过优化电路设 计的结构和设计方法学，来降低这些浮动偏差对于电路的性 能（例如延迟，功耗等）的影响［１８】。所以即使存在这些浮动的 参数，多晶硅集成电路的性能仍然是可以控制在一定的范围 内。我们预言未来会出现新的设计软件和工具（例如ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｔｉｍｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏ１），帮助设计者完成有器件性能浮动的情 况下的电路设计。 参考文献： 【１］Ｈｉｒｏｓｈｉ Ｈａｇａ，Ｙｏｓｈｉｈｉｒｏ Ｎｏｎａｋａ，Ｙｏｕｉｃｈｉｒｏ Ｋａｍｏｎ，ｅｔ ａ１． ＤＲＡＭ—Ｆｒａｍｅ・Ｍｅｍｏｒｙ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＳＯＧ－ＬＣＤ［Ｃ］．Ｉｎｔｅｍａ— ｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ＳＩＤ，Ｌｏｎｇ Ｂｅａｃｈ，ＣＡ ２００７．Ｖｏｌ （３８）：１４８６—１４８９
