§ 3.10. Шалаөткізгішті имс - ны жобалау және өңдеу этаптары

Шалаөткізгішті ИМС - ны жобалау дискретті элементтерде схемаларды жобалаудан өте ерекшеленеді және комплексті сипаттамасы болады. Бұл бәрінен бұрын екеуінің интеграциясы ертерек байланыспаған процесстер: 1) дискретті элементті дайындау және өңдеу; 2) микросхемаларды дайындау және өңдеу. ИМС схематехникасына элементтің техникалық, сенімділік, технологиялық және конструктивтілік секілді құрамдас сипаттамалары қатты әсер етеді. Жобалау кезінде шалаөткізгіш ИМС - ны дайындау технологиясы анықтаушы болып табылады, ал микросхема элементтерінің орындауда - транзисторлы құрылым, технологиямен анықталатын параметрлер анықтаушы болып есептеледі. Сондықтан схематехникадағы және жобалаудағы жаңадан немесе бұрыннан келе жатқан технологиялық процесстерде өзіндік ерекшелік пайда болады. Осылай шалаөткізгіш ИМС жобалау кезінде элементтер арасындағы паразитті активті немесе пассивті байланыстарды, элементтер параметрлерінің өзара байланысы және технологиялық шашулардың (разброс) есебінен параметрлерге жіберу рұқсатын, пассивті элементтерге шектеулерді және т.б. ескеру керек.

Шалаөткізгішті ИМС - ны жобалау шешімі машиналық әдісті қолдануды талап ететін қиын міндеттер жиынтығын қосады. Ереже бойынша, бір мезгілде микросхема сериясын жобалайды. Жобалау циклы келесі негізгі кезеңдерге бөледі:

микросхемалар сериясының функциональды құрамын және әр микросхемаға техникалық шарттарын анықтау;

интегралды орындауда өңделген принципиальды электрлі схемалардың анализі мен синтезі;

параметрлер жүйесі мен оларды бақылау әдістерін өңдеу және оңтайландыру (оптимизация);

физикалық құрылымды таңдау және активті және пассивті элементтердің параметрлерін есептеу;

топологияны өңдеу.

Жобалау кезінде көптеген жағдайлар қалыптасқан физикалық құрылымдары мен активті элементтердің белгілі параметрлері бар игерілген технологиялық процесстің бастапқы берілгендер негізіне әкеледі. Егер белгілі технологиялық процесстің базасында микросхемалардың талап етілген параметрлерін алу мүмкін болмаса, онда талап етілген физикалық құрылымдары бар жаңа технологиялық процесс жасалады. Сонымен қатар, жобалау процессі әртүрлі нұсқада барлық кезеңдерді бірнеше рет қайталау есебінен қиындайды. Жобалаудың негізгі кезеңдерінің ерекшеліктерін қарастырамыз.

Шалаөткізгішті ИМС серияларының функциональды құрамы және оларға техникалық талаптары, ереже бойынша, аппаратураның кең классын құруға арналған радиоэлектронды құрылғыларды өңдеу немесе функциональды түйін түрінде берілуін анықтайды. Сонымен қатар, технологиялық мүмкіндіктері мен олардың дайындалуы мен әртүрлі аппаратурада қолданылуы ескерілуі тиіс принципиальды элекрлік схеманы өңдеу маңызды болып табылады. Орындалып отырған функция мен жобалап отырған дайындау технологиясынан шыға отырып әрбір принципиальды схемаға талаптарды бір мезгілде анықтайды.

Шалаөткізгішті ИМС - ны жобалаудың екінші кезеңі дискретті элементте схеманы жобалаудың ұйқастық кезеңіне қарағанда едәуір қиынырақ, себебі мұнда күрделі эквивалентті схемасы бар паразитті байланыс ескерілуі тиіс.

Принципиальды электрлік схеманың синтезінің мақсаты - техникалық мақсатын талап етуін толықтай қамтамасыз ететін белгілі бір нақты параметрлер жиынтығы бойынша олардың оптимальды нұсқаларын анықтау.

Принципиальды электрлік схеманы таңдаудан соң, элементтердің параметрлері мен схемаларын анықтауда және техникалық талаптары бар сыртқы сипаттамасына сәйкес табу мақсатында оларды мұқият талдайды. Бұл кезеңде жобалау принципиалды электрлі схеманы есептейді, элементтердің параметрлерін анықтайды, шығыс параметрлерінің таралуын зерттейді.

Принципиальды электрлі схеманың анализінің мақсаты - сипаттамасын есептеуге арналған, схемаға ағып жатқан ауыспалы процессті модельдеу. Талдау элементтердің параметрлерінің әртүрлі мағынасы және сыртқы шарттары кезінде микросхеманың шығыс параметрлерінің анықтамасына кеп түйіседі. Микросхемаларды талдаудағы математикалық модельді таңдау бұл этапта негізгі болып табылады. Құрамды және паразитті элементтердің эквивалентті схемасы бар принципиальды электрлік схема негізінде математикалық модель құрылады және бейсызық дифференциалды теңдеулер жүйесін ұсынады. Ауыспалы процесстерді модельдеу машиналық әдіспен іске асады. Қазіргі уақытта, логикалық және сызықты микросхемаларды талдауға арналған алгоритмдер құрастырылған.

Бұлардан соң, элементтер параметрінде берілген рұқсат кезінде олардың таралуының сандық сипаттамаларының бағасын және шығыс параметрлерінің гистограммасының анықтауда микросхемалардың статикалық талдауын өткізеді. Сөйтіп микросхема мен элементтердің параметрлерінде рұқсаттар арасында белгілі бір деген сәйкестілік анықталады. Микросхемалардың статикалық талдауы көбінесе Монте - Карло әдісімен орындалады. Мұндай талдау кезінде микросхемалардың параметрлерінде сапалы емес нормалар орнатады.

Одан кейін шалаөткізгішті ИМС талдауының негізінде анықтайды, ал микросхемалар сипаттамасы бойынша статикалық берілгендердің жинақтау процессінде өлшеулі параметрелер жүйесін анықтайды. Сонымен қатар, шалаөткізгішті ИМС - ны көп полюстік ретінде қарастырады, ал оның параметрлерін көп полюстіктің сипаттамаларының негізі бойынша параметрлерін табады: кіріс, шығыс, жібергіш. Әрбір ИМС үшін өлшеулі параметрлер минимальды сан бойынша тиімді етеді, техникалық талаптарға сәйкес микросхемалар сипаттамасы үшін толық жеткілікті болады. Бұл барлық параметрлер ток мәні, кернеу және уақыт интервалы ретінде тікелей өлшейді. Параметрлерді өлшеуге және бақылау үшін арнайы тесттер дайындайды және мүмкіндігі бойынша микросхема сериялары мен әртүрлі типті параметрлерді өлшеу үшін әмбебап болуға тиіс бақылау – өлшегіш аппаратураны жетілдіреді.

Физикалық құрылымды таңдау және элементтердің параметрлерін есептеуді екі жолмен орындауға болады. Егер ИМС дайындау технологиясы белгілі болса, онда физикалық құрылымды таңдап, оған арнап физикалық параметрлер есептейді және осы берілгендердің негізіне элементтің активті және пассивті параметрлеріне есеп жүргізеді. Егер де бұл технологиялар жобаланып отырған микросхеманың талаптарын қанағаттандырмаса, онда алдымен активті элементтің электрлі параметрлерінің негізіне физикалық құрылымдарды есептейді, кейін технологиялық режимін анықтайды. Айта кететін нарсе, физикалық құрылымды өңдеу тек шалаөткізгішті ИМС жобалауына сәйкес келеді.

Биполярлы транзистордағы шалаөткізгішті ИМС жобалау мысалыңдағы ең көп таралған бірінші әдісті қарастырамыз.

Транзистордың конструктивті және электрлік ерекшеліктерден шыға отырып, планарлы – эпитаксиальды құрылымды таңдайды. Белгілі технологиялық параметрлер мен берілген құрылымның дайындау режимдер бойынша планарлы – эпитаксиальды транзисторда қоспалы таралулардың профилі тұрғызылады және есептеу жүргізіледі. Бұл үшін транзистордың эмиттерлі және базалы аймағын формалау кезінде қоспалы атомдардың таралуының белгілі заңын қолданады. Айта кететін нәрсе, түрлі қоспалар концентрациясы бар эмиттерлі аймақты формалау кезінде диффузия коэффициентінің концентрационды тәуелділігі бақыланады. Бұны эмиттерлі аймақта қоспалы таралуды құрау кезінде міндетті түрде ескеру керек.

Бөлінуге берілген аймаққа орталандырылған диффузия коэффициенті енгізілген үш қисықты тарататын қисық аппроксимация әдісін қолданады. Есептеу нәтижесі бойынша планарлы – эпитаксиальды құрылымда қоспалы концентрацияның қисықты нәтижелі таралуын тұрғызады. Сонан соң, транзистордың құрылымындағы ішкі статикалық өрісін анықтайды және транзистордың күшейтпелі (үздіксіз теңдеу шешу жолымен) және жиілікті (ток тығыздық теңдеуінің шешу жолымен) қасиеттеріне есептеу жүргізіледі. Бір мезгілде басқа да физикалық параметрлер құрылымын анықтайды. Содан кейін, транзистордың, диодтың, диффузилық резистордың және конденсатордың геометриясын есептейді.

МДП – транзисторындағы ИМС үшін физикалық құрылым пластинаның кедергісін, затвор астындағы қышқыл қалыңдығын және мынадай тала етілетін ойық кернеуі, құлдилық электрлі параметрлерін есепке алатын диффузионды облыс параметрлерін таңдайды .Жобалаудың бұл кезеңінде есептеудің машиналық әдістері де қолданылады.

Топологияны өңдеу – микросхема элементтерін құрастыру есептері және технологиялық мүмкіндіктері бар олардың арасындағы байланысы шешілетін шалаөткізгішті ИМС – ны жобалаудың негізгі кезеңі болып табылады. Микросхеманың топологиялық сызбасы конструкторлы – технологиялық документацияны дайындауға, дәлірек айтқанда фотошаблондар мен бүрмелерді дайындауға қызмет етеді.

Топологияны өңдеу кезінде бастапқы болып табылатындар келесі берілгендер (данные) мен шарттар:

электрлік (принципиальды электрлік схема, жиілік диапазон және т.б);

технологиялық (құрылым параметрлері);

конструктивті (корпус типі, шығыстарының орналасуы, кристаллдар берік болуы және т.б.).

Топологияны жобалау кезінде бастапқыда эскизді нұсқасын өңдейді. Ол үшін, принципиалды электрлік схемасын, шығыстары қажетті реттілікпен орналасқан, ал қлаған барлық элементтері минималды кесіп өту санымен байланысты болатындай етіп қайта сызады.

Әрі қарай, изолерленген аймақтың санын анықтайды. Қолайлы эскизді ала отырып, топологияның бастапқы нұсқасын өңдейді. Топологияны 100 : 1; 200 : 1; 500 : 1 немесе 1000 : 1 масштабтарда сызады. Сонымен қатар, фотолитографияны суреттеу нақтылығын, диффузия кезінде геометриялық өлшем кетуін ескеру керек және элементтер құрастыруының группалық тәсілін қолдану керек. Топологияның бастапқы нұсқасының негізгі принципі – минималды өлшемді кристаллдардағы элементтер максималды санын орналастыру.

Сонан соң, өңделген топологияның сапасын бағалайды, оны айқындайды және соңғы нұсқасын алады. Схематикалық, технологиялық және конструктивтік белгілер бойынша сапа бағасын жасайды. Оларға сыйымдылықты байланыс бағасы, температуралық режим, берілген номиналды элементтің орындауды қамтамасыз ету және т.б. жатады. Соңғы кездерде, шалаөткізгішті ИМС - ны жобалау кезінде топологиялық құрылымды машиналық жобалауға арналған координатографасы (топологиялық сызбаларды сызу құрылғысы) бар ЭВМ қолданады. Сонымен қатар, топологияның барлық нұсқалары талданады және ЭВМ оңтайландырылады.

Шалаөткізгішті МДП – ИМС топологиясын жобалау кезінде келесілерді ескеру керек. Барлық логикалық схемалар МДП құрылымдарында толықтай орындалу мүмкін. МДП – транзисторлар арасында бөлектеу талап етілмейді. Ішкісхемалық байланыс ретінде көбінесе диффузилық жоғарылегірленген қабаттар қолданылады.

3.31 – сурет. Биполярлы транзисторларда (а) шалаөткізгішті ИМС топологиясының көрінісі және соның электрлі схема (б)

3.31 , а – суретте топология көрінісі, 3.31 , б – суретте биполярлы транзисторлы құрылымда төрттүйінді шалаөткізгішті ИМС – ның электрлі схемасы.

Сонымен, шалаөткізгішті ИМС жобалаудың барлық негізгі кезеңдері өзара байланыста, кейде технологиялық мүмкіндіктерді көбірек қолдану мақсатында жобалану циклының қайта – қайта қайталануына әкеледі.