Введение. Блочный принцип построения технологии СБИС

Сверхбыстродействующие биполярные БИС являются элементной базой высокопроизводительных вычислительных систем. Они характеризуются сложностью технологии производства и высокой стоимостью. Определяющий параметр сверхбыстродействующих БИС - время задержки логического элемента, которое должно быть менее I не как во внутренних цепях, так и в цепях связи между БИС.

Биполярные транзисторы имеют экспоненциальные характеристики, благодаря чему превосходят полевые по крутизне передаточной характеристики на единицу площади, что позволяет им лучше функционировать при больших емкостных нагрузках. Высокое быстродействие при неопределенных и больших емкостных нагрузках обусловливает почти исключительное преобладание биполярных схем в классе сверхбыстродействующих БИС. Проектирование электронных схем БИС этого класса основано на использовании ненасыщенных логических элементов, например, эмиттерно-связанной логики, непороговой логики.

Основными составными частями микросхемы являются полупроводниковый кристалл и герметичный корпус с внешними выводами. Электронная схема, реализованная на полупроводниковом кристалле, выполнена на основе конструктивных элементов: биполярных транзисторов, резисторов и металлизированных межсоединений. Требование достижения субнаносекундного быстродействия логических элементов обусловливает и специфические требования к конструкции элементов БИС, включая и корпуса.

Современный этап развития полупроводниковой микроэлектроники отличается обширной номенклатурой и массовым выпуском микросхем с быстрорастущей степенью интеграции.

Повышение требований к элементной базе вычислительной техники, электронных устройств автоматики и измерительной техники, радиоэлектронного аппаратостроения вызывает необходимость создания БИС и СБИС со степенью интеграции более 50 тыс. вентилей на кристалле, потребляющих мощность менее 100 мВт, с рабочими частотами 100 МГц и выше, с питающими напряжениями, сниженными до 1-3 В. Для таких схем инжекционные структуры являются перспективными базовыми элементами, т.к. позволяют обеспечить требуемые энергетические, конструктивные и технологические характеристики. Стандартная биполярная технология, с помощью которой изготавливались И²Л-схемы первого поколения, не в состоянии обеспечить такие параметры. Эта задача решается созданием нового поколения инжекционных структур, использующих достижения микронной и субмикронной технологии, в частности, рентгеновскую и элект ронно-лучевую литографию, новые технологические процессы легирования и изоляции компонентов, материалы с более высокими характеристиками, новые полупроводниковых приборов (с барьером Шотки, с полевым эффектом и др.).

Благодаря значительному уменьшению площади структур в сочетании с применением тонких (1-2 мкм) эпитаксиальных слоев и переходов с малой (0,1-0,2 мкм) глубиной залегания за последнее время достигнуто существенное улучшение характеристик элементов И²Л. Так, по сравнению с элементами первого поколения плотность упаковки увеличилась в 10 раз (с 200-400 до 3000-500и вентилей/мм), задержка распространения сигнала уменьшилась более чем в 10 раз (с 10-20 до 1 нс) энергия переключения снизалась почти на два порядка (с 1 пДж до нескольких десятков фемтоджоулей) (один фемтоджоуль равен 10^-15 Дж).

Значительный прогресс в создании элементной базы И²Л достигнут не только в цифровых и запоминающих БИС. Элементы И²Л завоевали новую область применения, в которой практически не имеют конкурентов. Речь идет об аналого-цифровых и цифро-аналоговых БИС, выделившихся в последние годы в самостоятельное технологическое и схемотехническое направление. Цифровая часть кристалла аналого-цифровых БИС, реализованная в И²Л-базисе, практически полностью изготавливается по стандартной технологии аналоговых ИС и характеризуется чрезвычайно малой энергией потребления. В результате удается создать на одном кристалле высококачественные аналого-цифровые БИС с повышенным быстродействием.

Большие интегральные схемы относятся к новому классу схем, которые отличаются от ИС средней степени интеграции не только высокой плотностью упаковки и более совершенными техническими характеристиками, но и принципиально новыми методами проектирования, изготовления и контроля. Очевидно, что успешная реализация возможностей технологии биполярных БИС и СБИС, в том числе и на основе И²Л-структур, немыслима без широкого применения методов и средств автоматизации проектирования как на элементном, так и на схемо- и системотехническом уровнях.

Важная роль в этом направлении принадлежит математическим моделям И²Л-элементов, т.к. от их точности и степени разработанности в первую очередь зависит достоверность окончательных результатов схемотехнического проектирования БИС. Комплексное решение схемотехнических и топологических вопросов проектирования И²Л БИС различных типов требует создания машинно-ориентированных методов и алгоритмов их анализа и синтеза, позволяющих формализовать процедуру разработки схем, повысить качество, сократить сроки и снизить трудоемкость проектирования. Основной путь повышения электрических и эксплуатационных характеристик электронной аппаратуры - это увеличение интеграции используемых микросхем, увеличение степени интеграции БИС позволяет:

повысить быстродействие аппаратуры за счет уменьшения числа и длины линий связи между микросхемами;

снизить габариты, вес и потребляемую мощность изделий при сокращении числа используемых микросхем;

повысить надежность аппаратуры путем уменьшения числа паяных соединений и связей между микросхемами.

Увеличение степени интеграции БИС достигается уменьшением топологических размеров конструктивных элементов и наращиванием площади кристалла. Рост площади снижает выход годных БИС в производстве и число кристаллов на полупроводниковой пластине, а главное, не улучшает характеристик логических элементов. Поэтому основной способ увеличения степени интеграции БИС - это уменьшение площади элементов за счет снижения топологических размеров и совершенствования технологии. Улучшение электрических характеристик также требует уменьшения размеров.

При разработке конструкций элементов и технологии БИС используется принцип пропорциональной миниатюризации, согласно которому для получения оптимальной структуры приборов необходимо, чтобы уменьшение литографических размеров сопровождалось соответствующим уменьшением толщины металлических, диэлектрических и полупроводниковых легированных слоев. Толщина слоев, формирующих структуру приборов, определяет рельеф поверхности кристалла, разрешающую способность процессов травления, размеры периферийных и разделительных областей, а также паразитные инфекционные эффекты, связанные с периферийными областями. Принцип пропорциональней миниатюризации предполагает сохранение основных физических процессов в активных приборах БИС и соотношений размеров между активными и пассивными приборами.

Эффективным средством уменьшения топологических размеров биполярных транзисторов БИС является использование боковой диэлектрической изоляции, которая позволяет значительно уменьшить площадь прибора за счет формирования «пристеночных» переходов. "Пристеночным" называется р-n-переход, выходящий на границу с боковой диэлектрической изоляцией, которая позволяет осуществить самосовмещение областей базы, эмиттера и контактов с изолированной меза-областью транзистора. Самосовмещение исключает зазоры между областями изоляции, базы и эмиттера. Площади изолирующего и коллекторного переходов сокращаются в несколько раз, соответственно уменьшаются и емкости переходов.

Кроме снижения паразитных емкостей, улучшение динамических характеристик логических элементов за счет параметров транзистора достигается уменьшением сопротивления базы и времени пролета неосновных носителей в базе, увеличением концентрации легирующей примеси в коллекторе при соответствующем повышении плотности эмиттерного тока. Эти эффекты проявляются при повышении концентрации носителей во всех областях структуры и снижении глубины залегания р-n-переходов.

Характеристики БИС в большой мере зависят от конструкции используемых резисторов. Увеличение степени интеграции неизбежно приводит к уменьшению токов логических элементов и возрастанию номиналов нагрузочных резисторов. Слоевое сопротивление легированных областей транзисторной структуры не превышает 0,5-0,7 кОм/кв.

Ионнолегированные высокоомные резисторы с монолитной структурой имеют существенный недостаток - их сопротивление модулируется приложенным напряжением. Паразитная емкость их также значительна. В любом случае для каждого монолитного резистора необходимо формировать изолированную меза-область, при этом площадь изоляции обычно превышает площадь резистивного слоя. Тенденция к использованию монолитных полупроводниковых резисторов приводит к тому, что площадь и динамические характеристики БИС будут определяться параметрами используемых резисторов. Кардинальным решением вопроса является применение пленочных высокоомных резисторов на диэлектрической подложке.

Слоевое сопротивление резистивной пленки не связано с параметрами транзисторной структуры и может быть выбрано оптимально для каждой БИС. Ширина резисторов и зазоры между ними определяются только возможностями литографической техники и травления пленки.

В современной микроэлектронике более распространенным материалом остается по-прежнему кремний, за исключением таких классов полупроводниковых приборов, в которых необходимо использовать арсенид галлия из-за его специфических свойств.

Развитие микротехнологии обеспечил так называемый планарный процесс, или планарная технология. Идея заключается в последовательном изготовлении слоев с заданным рисунком, расположенных друг над другом и состоящих из материалов с различными электрическими свойствами, используя такой сэндвич со слоями заданной структуры, изготавливают различные схемные элементы, такие, как транзисторы, конденсаторы и диоды. Эти элементы затем соединяют друг с другом поверхностным токопроводящим слоем заданного рисунка, создавая интегральную микросхему (ИМС).

Слои с различными электрическими свойствами можно получать, изменяя свойства подложки, например, путем ее легирования или окисления, или же осаждения на ее поверхность слоя с помощью внешнего источника посредством испарения или распыления в вакууме. Заданный рисунок получается в процессе фотолитографии. При этом рисунок с фотографического трафарета проецируется на поверхность подложки, предварительно покрытой слоем фоторезиста. Фоторезистивные материалы обладают двумя свойствами. Одно из них заключается в том, что под действием света способность фоторезиста растворяться в определенном классе растворителей изменяется. После проявления в таком растворителе спроецированный рисунок остается на поверхности подложки. Другое свойство заключается в том, что нерастворенные области фоторезиста совершенно не взаимодействуют (резистивные) с другим классом растворителей, которые способны травить или изменять каким-либо образом нижележащий слой материала.

Если один и тот же материал не обладает одновременно этими двумя свойствами, то для получения заданного рисунка необходимо добавить промежуточный слой, имеющей требуемые резистивные свойства для проведения процесса травления подложки или другого изменения ее свойств. Например, примеси, взаимодействующие с органическим резистом могут диффундировать в кремниевую подложку через окна в предварительно нанесенном слое SiO₂, который для примесей является непроницаемым. Такая окисная маска позволяет легировать примесями кремниевую подложку по заданному рисунку. Некоторые основные этапы планарного процесса показаны в таблице 1. Для изготовления микроэлектронных приборов и схем требуется многократное применение этого процесса.

Таблица 1

"Д IKC"

Дата добавления: 2014-08-09; просмотров: 559; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!