Cтепаненко - Основы микроэлектроники (989594), страница 81
Текст из файла (страница 81)
Прикладывая к затвору достаточно большое напряжение, вызывают лавинный пробой в диэлектрике, в результате чего в нем накапливаются электроны. Соответственно меняется пороговое напряжение. Заряд электронов сохраняется в течение весьма длительного времени, как и у МНОП-транзисторов (в случае необходимости заряд можно периодически восстанавливать — регенерировать). Для того чтобы осуществить перезапись информации, нужно удалить электроны из диэлектрика. Это достигается путем освещения кристалла ультрафиолетовым светом, который вызывает фотоэффект, т.
е. выбивание электронов из диэлектрика. 10.9. Большие и сверхбольшие интегральные схемы Тенденция к повышению степени интеграции наблюдалась с самого зарождения микроэлектроники. Сначала в каждом корпусе размещались отдельные ИЛЭ. Затем, увеличив количество выводов, стали размещать по несколько ИЛЭ в одном корпусе. Это позволило сократить общее количество корпусов в аппаратуре, но не привело к какому-либо новому этапу в развитии ИС.
Качественно новый этап начался лишь после того, как простые ИС, расположенные на одном кристалле, стали объединять в сложные функциональные комплексы путем металлической разводки — так же, как в самих ИС объединяются отдель- Глава 10. Илтегральвые схемы ные элементы. На этом этапе появились сначала средние (СИС), а затем большие интегральные схемы (ВИС) и сверхбольшие ин тегральные схемы (СВИС). Можно сказать, что в основе БИС лежит интеграция простых ИС. Общая характеристика БИС. Классическим примером простых ИС являются логические вентили типа ТТЛ„КМОП, ЭСЛ и др. Промежуточное место между простыми ИС и СИС занимают ЮК-триггеры, состоящие из 8 — 10 логических вентилей.
Собственно к СИС относятся сумматоры, счетчики, ОЗУ и ПЗУ емкостью 25б-1024 бит и др. Примерами БИС могут служить схемы памяти на 4 бит и более, арифметика-логические и управляющие устройства ЭВМ, цифровые фильтры. Наибольшая степень интеграции свойственна однородным структурам — ЗУ и составляет в настоящее время десятки миллионов элементов на кристалле. ИС со степенью интеграции более 100 тыс.
элементов называют сверхбольшими. Использование БИС сопровождается резким улучшением всех основных показателей по сравнению с аналогичным функциональным комплексом, выполненным на отдельных ИС. Действительно, интеграция ИС на одном кристалле приводит к уменьшению количества корпусов, числа сборочных и монтажных операций, количества внешних — наименее надежных — соединений. Все зто, как обьгчно, способствует уменьшению размеров, массы, стоимости и повышению надежности. Дополнительными преимуществами от интеграции ИС являются уменьшение общего количества контактных площадок (а значит, экономия площади), сокращение длины соединений (что способствует повышению быстродействия и помехоустойчивости), а также меньший разброс параметров, поскольку все ИС расположены на одном кристалле и изготовлены в едином технологическом цикле. Повышение степени интеграции можно обеспечить двумя путями.
увеличивая плотность упаковки элементов (т. е. уменьшая их площадь, включая площадь металлической разводки) и увеличивая размеры кристалла. И тот, и другой путь связан с решением сложных технологических задач: необходимо повысить разрешающую способность литографии, стабилизировать технологические режимы, обеспечить особую гигиену производства, снизить плотность дефектов на поверхности кремния и т.
и. Некоторые проблемы конструирования и контроля БИС рассматриваются в следующем разделе. 10 9 Вьльшя» в »верхе»льшие хвтегральаые схемы 455 На этапе развития БИС возник также ряд схемотехнических проблем, не менее серьезных, чем технологические. Более того, обе категории проблем тесно переплелись друг с другом, т. е. вопросы»как делать» и»что делать» должны при разработке БИС решаться одновременно и комплексно. БИС на базовых матричных кристаллах. Один из первоочередных вопросов, возникающих при разработке БИС, — это вопрос об их технически и экономически целесообразной сложности. Необходимо сочетать достаточную сложность (чтобы реализовать преимущества высокой степени интеграции) с достаточной универсальностью (чтобы обеспечить экономически оправданный объем выпуска).
Практика показывает, что такого компромисса можно достигнуть, обеспечивая элемент ную избыточность и многофункциональность. Действительно, если количество ИС, расположенных на кристалле, больше, чем нужно для осуществления некоторой определенной функции, то, значит, выполняя разные металлические разводки, можно с помощью одного и того же набора ИС осуществлять БИСЫ с разными функциями. Данный принцип положен в основу БИС на базовых матричных кристаллах. Базовый матричный кристалл (БМК) — это набор топологических ячеек, расположенных в виде матрицы, между элементами которой отсутствуют соединения. Топологическая ячейка состоит из отдельных полупроводниковых элементов. Для получения БИС с заданными функциями отдельные элементы внутри ячеек и сами ячейки соединяются токоведущими дорожками. Для размещения проводников (трассировки) используют системы автоматизированного проектирования (САПР).
В конкретной БИС, изготовленной на БМК, обычно используют не все топологические ячейки, что определяется функциональными особенностями микросхемы. Другой принцип формирования заданной структуры БИС на БМК состоит в первоначальном создании кристалла, в котором выполнены все возможные межсоединения элементов. Далее, в нужных местах межсоединений делаются разрывы путем локального удаления материала межсоединения методом лазерного разрушения. Программируемые логические матрицы. Существенным недостатком описанных выше БИС на БМК является то„что фор- 456 Глава 10.
Ивтегралъвме евемм мирование структуры БИС может быть выполнено только в рамках микроэлектронного производства в соответствии с логической структурой, определенной разработчиком. Существенно ббльшую гибкость обеспечивают программируемые пользователем логические матрицы (ПЛМ). Это специализированные БИС, внутренняя структура которых, подобно обычным БМК, состоит из матрицы базовых логических ячеек и межсоединений, но конфигурация отдельных ячеек и связей между ними осуществляется с помощью специальной системы, расположенной на этом же кристалле.
Обычно для задания конфигурации предусмотрены специальные выводы БИС, и разработчик может устанавливать н изменять логическую функцию БИС. Для разных типов ПЛМ установленная конфигурация может либо сохраняться при отключении питания (подобно постоянным запоминающим устройствам, см. равд. 10.8), либо требуется перезагрузка при каждом новом включении. Управление перезагрузкой может выполнять сама схема ПЛМ, считывая информацию о конфигурации из внешнего ПЗУ. Проблемы повышения степени интеграции.
Опыт разработки БИС выявил ряд общих проблем, которые ограничивают повышение степени интеграции и которые, следовательно, нужно так или иначе решать в процессе дальнейшего развития микроэлектроники. Проблема теплоотвода. При заданных размерах элементов повышение степени интеграции может достигаться увеличением плотности компоновки, т, е. сближением элементов на кристалле. При этом неизбежно возрастает удельная мощность, рассеиваемая на единице площади.
При современных конструкциях кремниевых ИС допустимая удельная мощность на кристалле без дополнительного теплоотвода не превышает 5 Вт/смв. Значит, допустимая мощность для кристалла площадью 20 ммз составляет не более 1 Вт. При средней мощности 0,5 мВт, потребляемой одним ИЛЭ, на указанном кристалле удастся разместить не более 2000 логических элементов.
Естественным путем для преодоления этого ограничения является использование микрорежима транзисторов и таких схем, которым микрорежим свойствен. Например, для того чтобы на той же площади 20 ммз разместить 10000 вентилей, нужно использовать ИЛЭ с потребляемой мощностью не более 0,1 мВт, т. е. ИЛЭ типа КМОП (см. табл. 10.1). 457 10.9. Большие и ееерхбельшие иитегрельиые схемы Конечно, может оказаться, что прн данных размерах кристалла желательную степень интеграции нельзя осуществить нн на одном нз имеющихся элементных базисов. Тогда приходится идти на увеличение площади ИС.
В принципе этот путь открывает широкие возможности, но практически он тоже ограннчен. Ограничение накладывается неизбежными дислокациями на поверхностн полупроводннка (см. равд. 2.2). Любая дислокация в пределах БИС означает негодность транзистора нлн отдельной ИС, соответственно негодной может оказаться н БИС в целом. Поэтому увеличение площади кристалла сопровождается увеличением процента брака н уменьшением процента выхода годных БИС.
В отдельных случаях используют искусственное охлаждение БИС или подложек, на которых онн монтируются. Однако такое решение — не уннверсэльное н экономически далеко не всегда оправдано. Проблема межсоединений. Внутренняя структура БИС настолько сложна, что конструктор не может за разумное время спроектировать топологию (расположение) элементов н рисунок оптимальных межсоедннений (с минимальной суммарной длиной н минимальным количеством пересечений). Для этого нужно сравнить тысячи вариантов, н это практически можно выполнить только прн использовании систем автоматизированного проектирования. Опыт показывает, что в большинстве БИС не удается расположить разводку межсоеднненнй в одной плоскостн без пересечений.
Поэтому для БИС характерна многослойная разводка, расположенная обычно в 2-х или 3-х плоскостях. Изоляция слоев друг от друга и необходимые соединения между разводкамн разных слоев представляют собой особую технологнческую проблему, специфичную для БИС. Проблема контроля параметров. Электрический контроль параметров БИС до ее помещення в корпус осуществляется с помощью измерительных зондов, прнжнмаемых к контактным площадкам, т. е. к будущим внешним выводам. Зонды представляют собой тонкие металлические проволочкн„острие которых имеет диаметр 5 — 10 мкм. Зонды объединяются в зондовые головки — своего рода проволочные «щеткн», в которых каждый зонд соприкасается с соответствующей контактной площадкой, 17 — 3423 456 Глава 10.
Интегральные схемы имеющей размеры 100 х 100 мкм. Количество внешних выводов у БИС значительно больше, чем у простых ИС, в силу большей сложности выполняемых функций. Оно может составлять от десятков до нескольких сотен. Бсли для иллюстрации принять 50 выводов и учесть, что на каждом выводе может быть два значения выходной величины («О» или «1»), то для полноценной провеорки функционирования БИС (только в статике) потребуется 2 = 10 измерений. При длительности каждого измерения 1 5 15 мкс контроль одной БИС займет около 25 лет. Следовательно, помимо автоматизации контроля, нужно упростить и его методику. По необходимости измерения должны быть выборочными: количество измерений, свидетельствующих о работоспособности БИС (с определенной вероятностью), обычно лежит в пределах 200 — 300.
Отбор контролируемых параметров, последовательность и правила (алгоритмы) их испытания, а также разработка соответствующей аппаратуры и программ (для использования ЭВМ) представляют нередко задачу, не менее сложную, чем проектирование самой БИС. Физические ограничения на размеры элементов. В современных БИС размеры отдельных участков доходят до 2 — 5 мкм и имеется тенденция к дальнейшему уменьшению размеров. На этом пути, однако, возникают некоторые принципиальные ограничения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
