Структура n-канального МОП-транзистора (металл - окисел - полупроводник) приведена на рис. 1.1. Затвор выполнен на металле, а сток и исток - на n-областях (при замене на p-области получается p-канальный транзистор). Области n(p) называют диффузионными. При подаче напряжений на затвор и сток(исток) под затвором образуется тонкий канал, по которому течет ток, создаваемый движением электронов (дырок) от истока к стоку в nМОП (pМОП) - транзисторе. Толщина канала составляет около 100 А. Поскольку подвижность электронов почти в 2,5 раза выше, чем подвижность дырок, проводимость открытого nМОП-транзистора в 2,5 раза больше проводимости pМОП-транзистора. МОП-транзисторы имеют следующие усредненные характеристики: входной ток - 5 мкА, входное сопротивление в статическом режиме - 106 Ом, сопротивление исток - сток закрытого транзистора 1012 Ом, сопротивление открытого транзистора - сотни Ом, паразитная емкость исток - сток - 10 пФ. В биполярном транзисторе движение носителей происходит в слое, имеющем значительно большую толщину, чем в канальном транзисторе. Биполярные транзисторы имеют следующие усредненные характеристики: входной ток - 1 мкА, входное сопротивление - сотни Ом, сопротивление открытого транзистора - десятки Ом, сопротивление закрытого транзистора - сотни кОм, паразитная емкость эмиттер - коллектор - 10 пФ.
На рис. 1.2 показаны стандартные обозначения nМОП- и pМОП-транзисторов.
Различают четыре типа КМОП-схем: полностью комплементарные (ПКМОП), домино, буферные и гибридные.
Структура ПКМОП-схемы приведена на рис. 1.3. Она состоит из двух каскадов: p-каскада и n-каскада. Любой вход разветвляется и управляет затворами двух транзисторов p и n. На рис. 1.4, а дана схема ПКМОП-инвертора. При низком напряжении на входе p-транзистор открыт, а n-транзистор закрыт и на выходе имеется высокое напряжение. В этой схеме, если она исправна, один из транзисторов всегда закрыт, и ток от источника питания на землю отсутствует. Поэтому в статическом состоянии потребляемая мощность очень мала, так как ток утечки очень мал (наноамперы). При изменении сигнала на входе суммарная паразитная емкость, подключенная к выходу, должна зарядиться или разрядиться. Поэтому при изменении сигнала потребляемая динамическая мощность существенно возрастает. Для КМОП-схемы, имеющей 4000 вентилей, ток возбуждения при переключении одного вентиля имеет величину порядка 2 мА, а ток утечки для всего кристалла - 20 нА.
В nМОП-инверторе (рис 1.4, б) заряд емкости происходит через нагрузочный транзистор, имеющий сопротивление порядка 100 кОм, тогда как в КМОП-инверторе заряд и разряд емкости происходят через сопротивление открытого p- или n-транзистора. Поэтому динамическая мощность КМОП-схемы больше, чем nМОП-схемы. Простые вентили (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) обычно реализуются по схеме ПКМОП. Преимуществом ПКМОП-схем является малое потребление тока, а недостатком - большое число транзисторов и соответственно большая занимаемая площадь кристалла. Структура ПКМОП применяется для сложных вентилей (И-ИЛИ, ИЛИ-И), содержащих два и более уровней простых вентилей. В принципе по структуре ПКМОП можно реализовать любую схему любой сложности. Однако большие комбинационные логические схемы редко реализуются в виде одного сложного вентиля, потому что большое число транзисторов в проводящем пути ведет к изменению граничного уровня сигнала на выходе в очень больших пределах.
Структура КМОП-схемы типа домино приведена на рис. 1.5. Эта схема относится к категории динамических схем. p-каскад состоит из одного p-транзистора, управляемого сигналом тактирования. n-каскад реализует заданную функцию на n-транзисторах, причем n-каскад подсоединяется к земле через управляемый n-транзистор. Когда сигнал тактирования равен 0, на выходе схемы устанавливается 0. Когда сигнал тактирования равен 1, на выходе устанавливается значение, определяемое n-каскадом. Если при этом существует активизированный путь между выходом и землей, то на выходе устанавливается 1. Если такого пути нет, то на выходе сохраняется значение 0 за счет заряда паразитной емкости на входе инвертора. Поэтому схема типа домино может работать только в динамическом режиме. Значение выхода формируется при подаче каждого синхроимпульса. При смене наборов на входах схемы типа домино могут возникнуть состязания, которые приведут к неверной установке выхода. Схема типа домино имеет значительный выигрыш по площади, занимаемой на кристалле, по сравнению с ПКМОП-схемой за счет уменьшения числа транзисторов. Уменьшение емкостной нагрузки позволяет переключать вентили с большей частотой, хотя синхронный принцип работы схемы типа домино не позволяет полностью реализовать эту возможность. Поэтому быстродействие схем ПКМОП и домино примерно одинаковое. Однако схема типа домино потребляет большую мощность за счет сигналов синхронизации, которые делают предварительную установку выхода схемы в 0.
Буферные КМОП-схемы служат для связи с внешней средой. Эти элементы позволяют получить на выходе высокоимпендансное состояние для работы с шинными структурами.
Наиболее типичные технологические дефекты схем, выполненных по МОП-технологии: дефекты окисла, соединений, литографии, короткие замыкания и обрывы транзисторов, недостаточный имплантант. Толщина оксидного слоя в современных полевых транзисторах имеет величину порядка 20 нм, что приводит к сильным электрическим полям порядка 8 - 9 мВт/см и к увеличению вероятности пробоя. Пробой оксидного слоя и ионное загрязнение приводят к тому, что ток между истоком и стоком выходит из-под управления затвором [6, 7]. В табл. 1.1 приведено распределение технологических дефектов в МОП-схемах.
Модель дефекта, позволяющая описать поведение устройства при наличии дефекта, будем называть неисправностью. Дефекты КМОП-схем отображаются тремя классами неисправностей: константные (SA), обрывы (SOP) и короткие замыкания (SON). В табл. 1.2 приведены соответствия дефектов КМОП-схем различным видам неисправностей [8].
| Технологический дефект | % |
|---|---|
| Замыкания между слоями металлизации | 39% |
| Обрыв между слоями металлизации | 14% |
| Замыкания между слоями диффузии | 14% |
| Обрыв между слоями диффузии | 6% |
| Замыкания между слоями металлизации и подложкой | 2% |
| Не установленные виды дефектов | 10% |
| Катастрофические (очень большие) дефекты | 15% |
| Физический дефект | Неисправность |
|---|---|
| 1. Дефект окисла | SON (слабое замыкание) |
| 2. Дефект поликремния | SON (слабое замыкание) |
| 3. Литографический дефект | SON (слабое замыкание) |
| 4. Недостаточный контакт | SON или SOP |
| 5. Недостаточный имплантант | SON (сильное замыкание) (SA0 или SA1 на выходе) |
| 6. Короткие замыкания в металле | SA1, SA0 |
| 7. Обрыв в металле | SON или SOP |
В настоящее время разработана теория диагностирования цифровых схем, ориентированная на обнаружение класса константных неисправностей (stuck-at, SA), т. е. предполагается, что появление дефекта эквивалентно присваиванию определенной точке схемы постоянного значения 0 или 1. Этот класс неисправностей хорошо отражает реальные технологические и эксплуатационные дефекты схем, выполненных по ЭСЛ- и ТТЛ-технологиям. Однако в схемах, выполненных по технологии КМОП, реальные дефекты слабо покрываются моделью неисправностей stuck-at и тесты ориентированные на эти неисправности, не могут эффективно обнаруживать дефекты КМОП-схем. Анализ причин дефектов показывает, что большая их часть приводит к образованию неисправностей "устойчивый обрыв транзистора" (stuck-open, SOP) и "устойчивое замыкание транзистора" (stuck-on, SON). Неисправности stuck-open переводят схему из класса комбинационных в класс последовательных, неисправности stuck-on приводят к появлению на выходах схемы неустойчивых сигналов, имеющих промежуточное значение между 0 и 1. Решение задачи тестирования КМОП-схем связано прежде всего с разработкой эффективной модели неисправностей [1, 2].
Рассмотрим схему ПКМОП-вентиля И-НЕ (рис. 1.6). Неисправности SOP помечены *. Рассмотрим поведение схемы при неисправности f - обрыв истока транзистора T2. Тест AB=(01, 10, 11) обнаруживает все неисправности SA на внешних полюсах вентиля. При неисправности f картина существенно меняется. После набора 01 выход Y устанавливается в 1 и емкость C заряжается через транзистор T1. Поскольку в цепи тока через T2 существует обрыв, то после набора 10 емкость C оказывается включенной в схему. Время хранения заряда на емкости C (t=RC) может достигать величин от долей секунды до нескольких секунд [1]. В течение этого времени на выходе будет сохранятся значение 1 на наборе 10. При подаче набора 11 емкость C разрядится через транзисторы T3, T4 и на выходе установится значение 0. Таким образом, если период подачи наборов меньше, чем t=RC, выход Y будет принимать значения 1, 1, 0, что соответствует поведению исправного вентиля. Следовательно SOP-неисправность f не обнаруживается полным тестом проверки SA-неисправностей. Пример показывает, что при определенной частоте подачи наборов КМОП-вентиль И-НЕ с неисправностью SOP ведет себя как схема с памятью. Что произойдет, если измерить выход Y через время, большее, чем t=RC? В результате разряда емкости на выходе Y устанавливается промежуточное неопределенное значение, что не позволит обнаружить неисправность f устойчиво. "Плавающий" затвор следующего вентиля может привести к открытию p- или n-транзистора или даже к частичной проводимости обоих транзисторов.
Аналогичная ситуация наблюдается для неисправности g в цепи nМОП-транзисторов при подаче теста AB=(11, 01, 10). Если перед подачей теста выход был равен 0, то исправная и неисправная схемы будут давать одинаковую выходную последовательность 0, 1, 1 [9].
Неисправности типа SON по своей природе являются аналоговыми. К ним относятся короткие замыкания исток - сток, затвор - сток, затвор - исток. Аналоговый характер поведения неисправностей КМОП-схемы связан с тем, что если в исправной схеме не существует пути тока от Vdd к земле, то этот путь может возникнуть в присутствии SON-неисправностей и вызвать появление сигналов, имеющих промежуточное значение между 0 и 1. Например, рассмотрим поведение вентиля И-НЕ при замыкании исток - сток транзистора T3. На входном наборе AB=01 транзисторы T1 и T4 открыты, из-за SON-неисправности T3 образуется цепь тока от Vdd к земле через T1, T3, T4. Поскольку RT1=2RT4 и RT3=0 (замыкание исток - сток), получаем на выходе напряжение, равное Vdd RT4/(RT1+RT4)=1/3 Vdd. В зависимости от входного набора и места неисправности выход будет иметь различные значения.
Тест, обнаруживающий SOP-неисправность, состоит из двух наборов. Первый набор - установочный - должен установить на выходе КМОП-вентиля значение, противоположное тому, которое дает проверяющий набор. При SOP-неисправности транзистора после подачи проверяющего набора на емкости C сохранится предыдущее значение. Если выходное значение измерить достаточно быстро, то неисправность будет обнаружена. Рассмотрим неисправность f на рис. 1.6.
Тест для обнаружения f состоит из двух наборов:
T1: AB/Y=(11/0) - установочный набор,Тест для обнаружения неисправности g:
T1: AB/Y=(01/1) - установочный набор,Если строиться проверяющий набор для p-транзистора, то установка осуществляется через n-каскад, и наоборот. Отсюда ясно, что нельзя построить тест для SOP-неисправностей, рассматривая только исходную функцию и ее вентильное представление.
Перевод комбинационной схемы в класс последовательных приводит к необходимости решения задачи получения устойчивости теста при произвольном разбросе временных задержек [10, 11].