|
| |
|
Главная Журналы ГЛАВА 5 Основы конструирования полупроводниковых ИС и БИС § 5.1. Большие интегральные схемы Необходимость повышения степени интеграции. Широкое применение универсальных ИС с низкой и средней степенью интеграции позволило существенно повысить надежность и быстродействие, снизить массу, габариты, потребляемую мощность и стоимость электронно-вычислительной аппаратуры (ЭВА). Однако плотность компоновки такой аппаратуры существенно ниже плотности компоновки, достигнутой на уровне полупроводниковых кристаллов из-за значительного объема, занимаемого корпусами ИС и несущими конструкциями устройств на микросхемах. Наличие большого количества контактов печатного монтажа с выводами микросхем и контактов внутри многослойных печатные плат не позволяет обеспечить высокую надежность ЭВА, соответ-\ ствующую надежности полупроводниковых ИС (ЯяггЮ-... \ ... 10-3 ч-). Достаточно длинные печатные проводники и большие \ паразитные емкости и взаимные индуктивности между ними ограничивают дальнейшее повышение быстродействия и помехоустой--чивости устройств на микросхемах с низким уровнем интеграции при достаточно высоких требованиях к плотности печатного монтажа. Задержки сигнала в коммутационных проводниках затрудняют построение надежных быстродействующих однородных вычислительных структур с параллельной обработкой информации. Стоимость монтажно-сборочныхработ при изготовлении типовых элементов замены на ИС составляет значительную долю стоимости аппаратуры. Дальнейшее улучшение качественных показателей электронно-вычислительной аппаратуры (повышение надежности, быстродействия, функциональной сложности, снижение массы, габаритов, потребляемой мощности, стоимости и трудоемкости проектирования) достигается применением больших интегральных схем (БИС), которые характеризуются следующими основными признаками: - достаточно сложное функциональное назначение (регистры, арифметические устройства, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, запоминающие устройства, процессоры); - большое количество элементов, интегрированных в объеме и на поверхности одного полупроводникового кристалла (1000... 100 ООО), для соединения которых широко применяется многослойный монтаж; - проектирование, разработка конструкторской документации и изготовление фотооригиналов с помощью ЭВМ. Переход к интеграции большого количества элементов на од-.иом кристалле позволяет прежде всего значительно уменьшить ко- личество паяных и сварных контактов, характеризующихся пониженной надежностью, так как на каждый вывод микросхемы приходится два сварных и один паяный контакт. В БИС электрическое соединение как отдельных элементов, так и целых их групп (логических ячеек), выполняющих несложные функциональные преобразования, осуществляют с помощью пленочного монтажа. Контакты к элементам формируют в условиях достаточно высокого вакуума, и они отличаются высоким качеством и надежностью. Коммутационные проводники БИС имеют малую длину и ширину (/10 мм, b«5...10 мкм), что позволяет получить малую задержку распространения сигналов и ослабить уровень внутренних помех за счет паразитных пассивных элементов. Последнее обстоятельство открывает возможность создавать БИС на основе микромощных логических элементов с невысокими уровнями логических перепадов, что позволит снизить потребляемую мощность, температуру перегрева элементов и, следовательно, повысить надежность БИС. Для защиты от помех, наводимых на проводники печатных схем, на периферии кристаллов БИС формируются входные и выходные буферные каскады с повышенной помехоустойчивостью, питаемые от источника повышенного напряжения. Основные факторы, ограничивающие повышение степени интеграции БИС. При повышении степени интеграции БИС возникает ряд противоречий, частичное разрешение которых может быть достигнуто конструктивно-технологическими и схемотехническими мерами. С повышением степени интеграции растет функциональная сложность БИС, однако снижается их универсальность. Сложные БИС по своему назначению приближаются к устройствам частного применения, а малый масштаб их производства существенно сказывается на стоимости. При ограничении универсальности БИС растет их номенклатура. Для проектирования и организации производства большой номенклатуры БИС необходимы большие трудовые ресурсы и капитальные затраты во многих отраслях промышленности, разрабатывающих и выпускающих ЭВА специального назначения. При увеличении количества элементов в БИС растет площадь кристалла, так как на пути уменьшения размеров элементов, межэлементных промежутков, коммутационных проводников и кон-тактных площадок имеется ряд ограничений, обусловленных требуемыми электрическими параметрами, условиями работоспособности (паразитные связи, электрический пробой), уровнем надежности (ограниченная максимальная рабочая температура) и возможностями технологии. С увеличением площади кристалла уменьшается также выход годных кристаллов на технологических операциях, связанных с маскированием окисной пленкой, потому что-в окисной пленке существуют окна-проколы, возникающие вследствие дефектности структуры самой окисной пленки и наличия дефектов в фотошаблонах. Через проколы в окисле возможна диффузия или ионная имплантация атомов примесей в нежелательных Зчастках микросхемы и короткие замыкания металлизации на полупроводниковые области кристалла. Качественная картина, иллюстрирующая влияние площади кристалла на выход годных, показана на рис. 5.1.1. Предполагается, -что обе пластины имеют одинаковое распределение дефектов. Из  МгН) J/gl пН Ь-чУ lg=-/ Iw Jjyjj XffJ  Рис. 5.1.1. Иллюстрация влияния площади кристалла 5кр на выход годных кристаллов лри случайном распределении дефектов по поверхности полупроводниковой пластины Рис. 5.1.2. Иллюстрация к определению выхода годных кристаллов рисунка видно, что количество годных кристаллов растет при уменьшении их площади. Количественную оценку выхода годных кристаллов можно произвести по методике, изложенной в § 3.6, в предположении случайного распределения дефектов но поверхности пластины. Вероятность обнаружения т дефектов на чувствительной к проколам площади кристалла Sri (см. рис. 5.1.2) после проведения г-й операции определяется распределением Пуассона: Ршг (V О =р exp(-d„S„e 0. где dn - средняя плотность проколов в окисной пленке. Экспериментально мы. определяем эту величину как отношение количества кристаллов «крmi с т дефектами на площади 5чув1 к полному количеству кристаллов на пластине Лкр: р*т\-Путх\пу. При т= = 0 отношение ПкрочМкр дает выход годных кристаллов после проведения г-й операции. Следовательно, P*ui = «КР ог/ПкР Poi (Syb г) = ехр (-d„ 5,ув д = ехр (-d„ В„г 5„р), где 5пг=5чувг/5кр - коэффициент поражаемости кристалла в процессе проведения t-й операции.,Величина Bui зависит от структуры кристалла и находится в пределах О ,.. 0,25 [9]. Выход годных кристаллов после проведения k операций равен *о=П P*Oi ехр -duS ft \  На рис. 5.1.3 в качестве примера приведены зависимости выхода годных кристаллов от 5кр для Вп= 2 5nt = 0,25. Выход годных кристаллов значительно влияет на стоимость БИС. В настоящее время экономически выгодно производить БИС при выходе годных кристаллов 1 ...5%. В этом случае максимальная площадь кристаллов составляет око- р* ло 50 мм. Для повышения выхода год-ных кристаллов необходимо минимизировать количество технологических операций, связанных с фотолитографией окис-ных пленок. - Существенное снижение площади кристалла БИС на биполярных транзисторах при высокой степени интеграции дает применение многослойного пленочного монтажа. Однако необходимо иметь Зависимость вы-в виду наличие дефектов в межслойной плХГкрХТаХр изоляции коммутационных проводников. В БИС применяется обычно не более трех слоев металлизации:-первый объединяет элементы в функциональные узлы, осуществляющие различные логические операции, с помощью последующих функциональные узлы объединяются в более сложные устройства-(регистры, память, процессоры и т. п.). При повышении уровня интеграции увеличивается мощность. выделяемая элементами кристалла. Чтобы теплоотвод обеспечивалЕ нормальный тепловой режим элементов кристалла и, следовательно, достаточно высокую надежность БИС, необходимо большое внимание уделять конструкции корпуса БИС и отводу тепла от его» поверхности. При мощностях несколько ватт требуется применение принудительных систем воздушного или жидкостного охлаждения, которые заметно уменьшают выигрыш в снижении массо-габаритных характеристик, получаемый от применения БИС в аппаратуре. БИС характеризуется достаточно большим количеством внеш--них выводов (14...88). Количество внешних выводов в значительной степени определяет габариты корпуса и коэффициент использования объема БИС, стоимость корпуса, а также сложность, печатного монтажа типовых элементов замены, в которых используются БИС. Для уменьшения количества выводов БИС частного применения необходимо осуществлять рациональное разбиение логической схемы системы, выполненной на уровне элементарных логических элементов. Задача оптимального распределения логических элементов системы в модулях (БИС) решается с помощью-ЭВМ. Резко сократить количество выводов БИС можно введением схемной избыточности путем включения в кристалл схеи. внутреннего управления. Например, в БИС ОЗУ широко применяются мультиплексоры. Выше отмечалось, что применение БИС позволило существенно повысить помехоустойчивость аппаратуры. Однако по мере усложнения БИС при соответствующем увеличении размеров кристалла растет длина коммутационных проводников и увеличиваются паразитные параметры монтажа (сопротивления, индуктивности, емкости и взаимные индуктивности), понижающие быстродействие и внутреннюю помехоустойчивость БИС. Допустимые падения напряжений на сигнальных шинах и шинах питания ограничивают геометрические размеры коммутационных проводников и полупроводниковых областей БИС. Как проектирование, так и изготовление конструкторской документации и технологической оснастки (фотооригиналов), контроль качества конструкторской документации и контроль БИС на функционирование на завершающих этапах производства немыслимы без применения ЭВМ. Конструктор не может в приемлемые сроки разработать оптимальную конструкцию БИС, осуществить качественную проверку соответствия топологии заданной электрической схеме, учесть влияние на функционирование БИС большого количества паразитных эффектов, обусловленных особенностями конструкции. Для контроля БИС на функционирование требуется большое число тестовых проверок. Достоверный контроль БИС в приемлемые сроки может быть проведен только с применением ЭВМ. Особенности конструктивно-технологической реализации БИС. в Кристаллах БИС применяют фиксированную и программируе-мую разводку коммутационных проводников. При фиксированной разводке проводников для выхода годных БИС требуется ЮОР/о-ный выход годных элементов, формируемых в кристалле. Это сложная технологическая проблема, ограничивающая степень интеграции микросхем. В БИС, состоящих из большого количества однородных функциональных узлов-ячеек, для повышения выхода можно вводить избыточность. В полупроводниковой пластине формируют массив однородных ячеек с контактными площадками для проверки их годности с помощью микрозондов. Карту годности ячеек заносят в память ЭВМ. С помощью ЭВМ разрабатывают индивидуальную для каждой БИС коммутацию годных ячеек (программируемая разводка) и изготовляют необходимые фотошаблоны. Метод программируемой разводки требует применения сложного вычислительного и технологического оборудования. Кроме того, большая площадь, занимаемая контактными площадками ячеек, не позволяет получить высокую степень использования площади кристалла БИС (на контактной площадке размером 100X100 мкм можно разместить четыре элемента памяти на основе интегральной ин-жекционной логики). Чтобы сократить количество внутренних контактных площадок, используют сложные ячейки-матрицы, состоящие из нескольких логических элементов. Внутри матриц применяют фиксированную разводку. Для изготовления заказных БИС применяют микроматричные структуры, в основу построения которых положена идея базового-кристалла, применяемая при изготовлении ИС частного применения. Базовый кристалл ИС состоит из определенного набора активных и пассивных элементов. Заданные параметры ИС обеспечиваются индивидуальной разводкой коммутационных проводников, реализуемой с помощью заказного фотошаблона. Существует несколько вариантов построения базовых кристаллов БИС. В качестве примера рассмотрим организацию базового кристалла БИС на основе биполярных транзисторов с применением двухуровневой металлизации. Все поле базового кристалла разделяется на две части: внутреннюю и периферийную. Во внутренней части поля кристалла, располагается микроматрица идентичных по размерам областей; (ячеек), внутри которых.формируются одинаковые группы активных и пассивных элементов (транзисторов, диодов, резисторов,, конденсаторов). На основе этих элементов с помощью первого слоя металлизации формируются различные функциональные преобразователи информации (логические элементы, RS-, D-, Т-, JK-триггеры, сумматоры, счетчики, разряды регистров сдвига, элементы памяти, усилители, компараторы и т. п.). Количество элемен- тов в группе (Ячейке) зависит от сложности реализуемых функций (от 10 до 50). На периферийной части поля кристалла располагают контактные площадки и группы элементов, с помощью которых формируют различные периферийные устройства (буферы, мультиплексоры, регистры временного хранения информации). Создается библиотечный набор топологий рассматриваемых преобразователей информации, что позволяет существенно упростить процесс проектирования БИС частного применения. Задача разработчика БИС частного применения состоит в том, чтобы рационально разместить на поле базового кристалла необходимые для реализации заданной функции имеющиеся в наборе функциональные преобразователи информации и произвести трассировку межсоединений с помощью второго слоя металлизации. Между ячейками базового кристалла выделяются полосы (каналы) для проводки трасс межсоединений. На этих полосах могут быть сформированы элементы подныривания, с помощью которых устраняются пересечения ортогональных проводников. § 5.2. Логические элементы ИС и БИС в интегральных микросхемах на биполярных транзисторах широко применяются транзисторные логические элементы с резистивными связями (РТЛ),. транзисторно-транзисторные логические элементы (ТТЛ), транзисторные логические элементы с эмиттерными связями (ЭСЛ), логические элементы с инжек-ционным питанием (ИЛ). Интегральные схемы на МДП-транзисторах строятся на основе статических и динамических логических элементов с интегральной нагрузкой и логических элементов с взаимодополняющими МДП-транзн-сторамн (КМДП - комплементарные МДП-структуры). 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |