Проблемы повышения степени интеграции ИМС

При создании СБИС и УБИС приходилось и приходится решать целый ряд конструкторско-технологических проблем.

□ Проблема дефектов подложки. Чем больше площадь кристалла, тем выше веро­ятность того, что дефект кристаллической структуры приведет к выходу изстроя какого-либо элемента интегральной микросхемы. Эта проблема решаетсясовершенствованием технологии изготовления полупроводниковых подложек.

□ Проблема уменьшения размеров элементов ИС. Известно, что размеры элемен­тов определяются литографией. Разрешающая способность фотолитографииограничена длиной волны света (около 1 мкм). Современная субмикроннаялитография использует излучения со значительно меньшей длиной волны(электронные, ионные и рентгеновские лучи), позволяющие получить размерэлементов менее 1 мкм (до 0,1 мкм).

□ Проблема теплоотвода. Уменьшение размера элементов и расстояния между ними ведет к увеличению удельной мощности, рассеиваемой единицей по­верхности подложки. Практически величина этой мощности не превышает 5 Вт/см², Эта проблема решается применением микрорежимов работы логических элементов. При этом предпочтительнее схемы КМДП и И²Л, потреб­ляющие мощность менее 0,1 мВт на логический элемент.

□ Проблема межсоединений. Огромное количество элементов, созданных на под­ложке, должно быть соединено между собой таким образом, чтобы обеспечить выполнение определенных функциональных преобразований сигналов. До­стигается это многоуровневой разводкой. На первом уровне формируют простые логические элементы, на втором уровне формируют отдельные узлы (триггеры, сумматоры и т. д.), на третьем уровне формируют блоки (регистры, дешифраторы и т.д.).

Разводка может быть фиксированной и программируемой. Фиксированная раз­водка применяется при условии 100-процентной годности элементов. В этом случае заранее разрабатывается топология соединений. Наличие хотя бы одного дефектного элемента приводит к выходу из строя всей микросхемы. В случае программируемой разводки на кристалле создается избыточное число элементов, осуществляется контроль их работоспособности и составляется карта годнос­ти элементов. Затем с помощью ЭВМ разрабатывается топология соединений. Однако этот метод требует дополнительных технологических операций.

Решение проблемы повышения степени интеграции СБИС и УБИС состоит в применении новых конструкторско-технологических решений, качественно от­личающихся от применяемых при разработке микросхем средней степени ин­теграции. Большое значение имеет разработка новых конструкций элементов, позволяющих добиться повышения степени интеграции при существующей раз­решающей способности литографии. В СБИС широко применяют функциональ­но-интегрированные элементы, когда одна и та же полупроводниковая область совмещает функции нескольких простейших элементов. Примером может слу­жить структура И²Л, в которой совмещены база горизонтального транзистора типа р-п-р с эмиттером вертикального транзистора типа п-р-п, а коллектор тран­зистора р-п-р одновременно является базой транзистора п-р-п. Широко приме­няется совмещение коллекторной нагрузки с коллектором и ряд других конст­руктивных решений, позволяющих сократить количество боксов, в которых размещаются элементы ИС, и тем самым повысить степень интеграции. Для получения субмикронных размеров некоторых областей при разрешающей способ­ности фотолитографии около 1 мкм в СБИС широко используют метод самосовмещения, в основе которого лежит использование ранее созданных слоев в каче­стве масок для получения последующих элементов.

Одним из способов повышения степени интеграции является «трехмерная» интег­рация. В трехмерных структурах элементы формируют в разных слоях, чередующих­ся в вертикальном направлении. Примером может служить вертикальная струк­тура полевого транзистора, в которой исток и сток расположены друг над другом, а канал проходит в вертикальном направлении. Другим примером может служить создание двухслойных КМДП-структур. В этих структурах имеется общий затвор, под которым расположен n- канал, а над затвором — р- канал. Такая комплементар­ная пара вместе с соединениями занимает такую же площадь, как один транзистор с каналом n -типа. По сравнению с обычной КМДП-структурой, в которой тран­зисторы с n -каналом и р- каналом расположены в одной плоскости, двухслойная КМДП-структура позволяет повысить степень интеграции примерно в 3-4 раза.

В УБИС большую роль играет взаимодействие ее элементов. В БИС с невысокой степенью интеграции каждый отдельный транзистор ведет себя одинаково как в «изолированном» состоянии, так и в составе интегральной структуры. В УБИС с субмикронными размерами изоляция одного транзистора от другого труднодо­стижима. Возможные механизмы взаимодействия транзисторов друг с другом многочисленны и включают в себя такие эффекты, как емкостная связь, туннелирование и перетекание зарядов.

Повышение степени интеграции резко сужает сферу применения БИС, так как они становятся специализированными и вследствие этого изготавливаются огра­ниченными партиями. Сужение сферы применения конкретного типа микросхем приводит к необходимости разработки большой номенклатуры БИС и, следова­тельно, больших затрат времени и средств на их проектирование, подготовку про­изводства и изготовление.

Широкая номенклатура специализированных БИС при приемлемых затратах на проектирование и производство достигается путем использования базовых матрич­ных кристаллов (БМК). Базовый матричный кристалл представляет собой полупро­водниковый кристалл, на котором в определенном порядке размещены на постоян­ных местах нескоммутированные активные и пассивные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и т. п.). Определенное число активных и пассивных элементов сгруппировано в топологические ячейки (ТЯ), которые размещаются на БМК регулярно, образуя матрицу одинаковых повторяющихся ячеек. В одной тополо­гической ячейке БМК последующим объединением элементов металлизирован­ными соединениями можно создать несколько логических или запоминающих элементов. Компоненты в ТЯ подбираются таким образом, чтобы из них можно было построить разнообразные элементы, перечень которых образует некоторый функциональный набор — библиотеку элементов. Чем разнообразнее элементы в библиотеке, тем эффективнее построение функциональных схем матричных БИС.

Особенностью матричных БИС является то, что БМК представляет собой еди­ную основу для создания широкого набора функциональных схем, все разнообра­зие которых определяется межсоединениями, которые формируются на послед­них этапах технологического процесса. Иначе говоря, комплект фотошаблонов для изготовления БМК является постоянным, а фотошаблоны для формирования конкретных матричных БИС — переменными. Таким образом, на основе одного БМК сменой фотошаблонов металлизации можно разработать большое число модификаций матричных БИС, отличающихся своими функциональными схема­ми. БМК выполняются как на основе биполярных транзисторов, так и на основе МДП-структур. Количество элементов в базовом кристалле определяется уровнем технологии и достигает 10⁶.