- •1.1.Проектирование биполярных транзисторов
- •1.2.Расчет и проектирование диодов
- •1.3. Расчет и проектирование диффузионных резисторов
- •1.4.Расчет и проектирование полупроводниковых конденсаторов
- •2.Проектирование мдп-имс
- •2.1.Схемотехнические и конструктивно-технологические особенности
- •2.2.Принцип работы и основные параметры мдп-транзисторов
- •3.Проектирование бис и микросборок
- •3.1.Особенности проектирования бис и мсб
- •3.2.Ограничения и проблемы при проектировании бис
- •3.3.Основные этапы расчета и проектирования бис
- •3.4.Методы и автоматизация проектирования бис
3.2.Ограничения и проблемы при проектировании бис
Основной задачей при разработке БИС является повышение степени интеграции. Повышение степени интеграции ИМС зависит от нескольких факторов. Один из них – возможность уменьшения геометрических размеров элементов ИМС. Предельные геометрические размеры элементов ИМС определяются, с одной стороны, необходимыми электрическими параметрами, а с другой – разрешающей способностью технологического оборудования и технологическими процессами, с помощью которых создаются определённые структуры в объёме полупроводника, на его поверхности или на поверхности диэлектрической подложки.
Отметим, что технические методы и оборудование в микроэлектронике совершенствуются очень быстро, и сейчас минимальные геометрические размеры элементов приближаются к предельно допустимым, сравнимым с длиной световой волны. Это выдвигает определённые требования к технологическим процессам изготовления БИС по точности, прецизионности и воспроизводимости, что возможно только при автоматическом или автоматизированном ведении процессов.
Задача усложняется ещё и тем, что для изготовления БИС требуется более трудоёмкий технологический процесс, чем для изготовления ИМС, а сам процесс сильно влияет на схемотехнические параметры БИС. Это в свою очередь выдвигает ряд требований и ограничений, которые следует учитывать при разработке БИС.
При
разработке микросхем с повышенной
степенью интеграции возникает ряд
новых задач при расчёте, проектировании
и конструировании электронной аппаратуры,
которые также накладывают определённые
ограничения на проектирование БИС.
Так, высокая плотность упаковки
быстродействующих элементов в БИС
затрудняет подвод мощности от
источника питания и создание многослойной
разводки. Например, если БИС состоит
из 150 быстродействующих схем с потребляемой
мощностью 50 мВт каждая, то ко всей
системе требуется подвести ток порядка
2,5 А, что при малой геометрии пленочных
проводников связано с большими
трудностями. Высокие быстродействие
схем (менее 1 мкс) и плотность упаковки
обусловливают скорость переключения
тока
А/с, вследствие чего даже незначительные
индуктивности монтажа вызывают
существенные колебания напряжения
питания.
Передача сигналов с наносекундными длительностями фронтов по многослойной структуре связана с проблемой уменьшения паразитных связей и помех. Эти факторы необходимо учитывать при проектировании многослойной разводки для обеспечения заданных быстродействия и помехоустойчивости.
Следующая
важная проблема – теплоотвод.
Повышение плотности упаковки приводит
к увеличению удельной мощности рассеяния
(до 20
),
особенно в быстродействующих БИС. Отвод
таких мощностей требует разработки
специальных конструкций корпусов с
принудительным охлаждением.
Теплоотвод
неразрывно связан с обеспечением
высокой надёжности БИС. Поддержание
надёжности БИС на определенном уровне
по мере повышения степени интеграции
при неизменном уровне технологии –
задача довольно сложная. Например, если
БИС содержит 1000 элементов, то для
получения интенсивности отказов
надёжность каждого её элемента должна
быть значительно выше
.
С повышением степени интеграции усложняются функции, выполняемые БИС. Следствием этого является трудность контроля работоспособности и проведения испытаний БИС, что требует сложного автоматического оборудования с большим числом контрольных тестов, разрабатывать которые необходимо при проектировании схемы.
Существенные ограничения на разработку БИС накладывает выход годных схем при их изготовлении. Известно, что требования к качеству технологического процесса можно установить с помощью выражения
, (4.2.38)
где
– процент
выхода годных БИС;
– коэффициент
поражаемости БИС (отношение той части
площади, дефект которой выводит схему
из строя, к полной площади, занимаемой
БИС;
– плотность дефектов (число дефектов, приходящихся на единицу площади пластины);
– площадь, занимаемая БИС.
Как видно из выражения (4.2.1), процент выхода годных БИС уменьшается с увеличением площади. Эту зависимость можно улучшить только технологически путем уменьшения плотности дефектов.
Отметим,
что при создании полупроводниковых
БИС и СБИС особенно эффективным явилось
использование принципа масштабирования –
пропорционального уменьшения
геометрических размеров элементов
(биполярных и МДП-транзисторов) в m
раз (m – масштабный
коэффициент). Масштабирование элементов
в технике БИС СБИС преследует две цели:
увеличение плотности упаковки элементов
и улучшение электрических параметров
при снижении стоимости функциональной
операции в расчете на кристалл. Так,
например, если размер топологического
элемента уменьшить в m
раз, то плотность упаковки снизится в
раз, рассеиваемая мощность – в
раз, а произведение мощности на время
задержки в
раз.
Использование принципа масштабирования потребовало резкого уменьшения проектных допусков на расположение элементов и повышения плотности совмещения при их формировании. Это достигается совершенствованием, а в некоторых случаях и принципиальным изменением техники литографии и основных технологических процессов. В результате достигнутые в промышленных условиях минимальные размеры топологического рисунка составляют 1 мкм и менее.
В то же время при использовании принципа масштабирования встречаются ограничения, связанные с физическими явлениями в транзисторах и с такими факторами, как рассеяние теплоты кристаллом, надёжность внутрисхемных соединений, увеличение сопротивления соединений, рост паразитных связей и др. Улучшение параметров транзисторов и БИС (СБИС) на их основе путем пропорциональной миниатюризации требует усовершенствования не только методов создания этих транзисторов и БИС, но и методов формирования внутрисхемных соединений, а также конструкционных изменений кристалла (в части расположения функциональных и входных/выходных транзисторов, периферийных контактных площадок и др.).
Анализ указанных факторов подчеркивает тесную взаимосвязь между технологией и конструкцией БИС.
