5.4. Шалаөткізгішті үис құрылымы және жасау технологиясы
Шалаөткізгішті ҮИС құрылымы қолданатын активті элементтердің типімен және құрылымымен, деңгей санымен, схема ішіндегі аралық байланыс жүйесін құру әдісімен, корпус типімен анықталады. ҮИС жасаудың құрылымдық әдісінен олардың схемотехникалық ерекшеліктеріне байланысты.
Қазіргі кезде ҮИС жасалатын базада негізгі активті элементтер планарла эпитакциялық типті биполяр транзистор (БТ) және МДШ транзисторлар (МДШТ) болып табылады. МДШ транзисторлар негізіндегі ҮИС кеңінен таралу себебі олардың ерекше қасиеттері мен интеграция деңгейін көбейте алатындығына байланысты. Функционолдық қабілеттері бірдей БТ және МДШТ салыстырғанда, электрлік параметрлері бойынша жылдам қозғалғыштығы және сенімділігі бойынша биполяр транзисторлардағы схемалар МДШ транзисторлардан асып түседі. Алайда МДШТ контактілік көлемімен бірге алатын толық көлемі БТ көлемінен шамамен бес есе кіші болып келеді.
Активті элементтер өлшемінің аз болуы, тарату қуаты деңгейі және басқа да схемотехникалық мүмкіндіктері, МДШТ құрылымын жасау технологиясының қарапайымдылығы МДШ транзистордағы ҮИС интеграция деңгейінің жылдам өсуін анықтайды. Мысалы МДШ құрылымындағы қалта микрокалькуляторы процессорының ҮИС мөлшері 5,2*5,2 мм кристалда 3400 элементтен тұрады, ал мөлшері 3*2,5 мм кристалда бұл калькулятордың ҮИС сақтау құрылғысы 1490 элементтен тұрады.
Шалаөткізгішті ҮИС жасау технологиясы ИМС құруда қолданатын стандартты технологиялық әдістерде базаланады. Ол әдістер: кремнийдің термиялық қышқылдануы, фотолитография, диффузиялық және эпитаксиялық өсіру. Осы әдістер арқылы планарлы эпитаксиялық немесе МДШ құрылымы мен олардың арасындағы изоляция негізінде шалаөткізгішті пластина үстінде активті және пассивті элементтер жасайды. ҮИС элементтерін жасау процесі бірінші және екінші деңгей интеграциялы ИМС құрудағы шалаөткізгішті пластиналардың топтық технологиялық өндірісімен толығымен сәйкес келеді. ҮИС жасаудың технологиялық ерекшелігі элементтерді жасағаннан кейін, схема ішілік байланыстардың монтаждық бейнесін дайындаудың алдында көрінеді.
ҮИС элементтері арасындағы байланыс жүйесін жасау схемотехникалық тапсыриалардың ең маңыздыларының бірі болып табылады. Шалаөткізгішті ҮИС байланыстарды көп деңгейлі жүйе ретінде қарастыруға болады. Бірінші деңгейде жеке активті және пассивті элементтер арасындағы байланыс жүзеге асады. Олар ЖӘНЕ, НЕМЕСЕ, ЖӘНЕ ЕМЕС, НЕМЕСЕ ЕМЕС т.б. қарапайым логикалық схемаларын құрады. Бұл байланыс деңгейі шалаөткізгішті орта дәрежелі интеграциялы ИМС метализациясына сәйкес келеді. Екінші деңгейде триггер, жартылай сумматор, басқару схемалары және т.б. түйін типінің схемалары қосылады. Үшінші деңгейде регистр, көпразрядты санағыш, сумматор, дешифратор блоктарындағы байланыстар құрылады.
Құрылғылардың одан әрі қиын түйіндер мен блоктарға қосылуы жоғары деңгейлерде жүзеге асады. Байланыс деңгейлерінің санын таңдау мәселесін шешу ҮИС логикалық құрылымына, оның функционалдық тығыздығы мен қиындығына байланысты болады.
Көпдеңгейлі байланыс жүйесі жұқа пленкалы өткізгіштерде немесе жоғары легірленген диффузиялық кремний қоспасы арқылы жүзеге асады. ҮИС байланыстары бір жазықтықтағы көптеген өзара қиылыстарда орындалмағандықтан, көпқабатты металлизацияланған разводканы қолданады. Сонымен разводканың әр деңгейі металлизацияның бір қабатымен жасалады, көбінесе қабаттар екі окись кремнийімен изоляцияланған әр түрлі жазықтықта орналасқан жазықтықта орналасқан.
Пленкалы өткізгіштердің орналасуы, геометриялық өлшемі және қиылыстармен байланысқан паразитті сыйымдылығы ҮИС схемотехникалық параметрлеріне (жылдамқозғалғыштық, жұмыстық жиілігі, бөгеуге қарсылығы жіне т.б.), өткізгіштің көпқабатты жүйесін жобалау осы факторлардың болуын талап етеді. Сондықтан байланыс жүйесінің топологиясын жобалауды және оның технологиялық орындалуын машиналық әдіспен жүргізеді.
Схемаішілік байланыстардың орындалуы пластинадағы элементтердің дефектісімен, яғни ҮИС қолданылатын орта деңгейлі интеграциялы ИМС шығысымен байланысты екенін ескеру керек. Қазіргі таңда шалаөткізгішті ҮИС көпқабатты разводкасының құрылымдық және технологиялық шешімдерінің бірнеше әдісі көзделген. Оларды биполяр және МДШ құрылымына қолдануға болады. Негізгі әдістерді қарастырайық.
Жеке кристалдағы ҮИС. Бұл ҮИС құрылымы және жасалу технологиясы бойынша шалаөткізгішті орта деңгейлі интеграиялы ИМС техникасының ары қарай дамуының нәтижесі болып табылады.
Қондырғының қолдану мүмкіндіктері мен прецизиондығы, технология сапасының жақсаруы щалаөткізгішті ИМС элементтерінің орташа мәнін 0,07-ден 0,00063мм дейін және кристалдың орташа көлемін 1-ден 10мм дейін көбейтуге мүмкіндік береді. Қазіргі кезде ол 100000-ға дейін элементтері бар (санағыш, регистр, дешифратор, түрлендіргіш т.б.) ҮИС жасауға мүмкіндік бере алады. осындай ҮИСны ЭВМ көмегімен жобалайды, ал схема аралық байланыстар екі қабатты разводканы орындайды. Активті элементтер ретінде оларда негізінен биполяр транзисторларды қолданады. Мұндай типті ҮИС планарлы эпитаксиалдық немесе изопланарлы технология бойынша дайындайды. Шетел фирмаларында шығарылатын жеке кристалдардағы ҮИС негізгі сипаттамалары 5.2-кестеде берілген.
Фиксирленген разводкалы ҮИС. Бұл ҮИС нақты фиксирленген координаталар схемасының элементтерін байланыстыратын жұқа пленкалы өткізіштердің алдын ала жобаланған топологиясына сәйкес құрады. Оларды жасауда көп ұяшықты машиналық жобалау әдісін қолданады. ҮИС құрылымын және разводка топологиясын жасау мәселесі ЭВМ көмегімен шешіледі.
5.2-кестеде көп ұяшықты құрылым негізіндегі шалаөткізгішті ҮИС жасау процесінің оңайлатылған құрылымдық схемасы келтірілген.
Көпұяшықты құрылым күрделі функционалдық түйін құрамына кіретін логикалық элемент немесе триггер сияқты схемадан тұратын логикалық түйін болып табылады.
ЭВМ программаларының кітапханасында көп ұяшықты стандарт құрылымдардың жинағы сақталады. Оларды қажетті ҮИС алу үшін әртүрлі комбинацияларда қолдануға болады. Сонымен қатар берілген талаптарды қанағаттандыратын жаңа бірегей көпұяшықты құрылым жасауға болатын стандарт элементтер жинағы бар. ҮИС инженер құрастырушысы жазба машиналар және электронды сәулелік индикатор мен жарықтық перодан тұратын жүйе арқылы есептеуіш машинаның мәліметтерімен алмастыра алады.
Машиналық жобалау құрастырушыға техникалық тапсырма ретінде берілген функционалдық талаптар сараптамасынан басталады. Онда нақты қолданысқа қажет болатын көп ұяшықты алдын ала дайындалып, машинада сақталатын құрылымдар сарапталады.
Келесі кезеңде көпұяшықты құрылғы ҮИС компоновкасын жасайды. Бұл кезеңнің жетістігі құрастырушының шығармашылық қасиетімен байланысты. Құрастырушы жазбалы машинаны және жарықтық пероны қолданып, ұяшықтарды конфигурациялары сәйкес келетіндей етіп топтастырады. Құрастырушы ұяшықтардың өзара орналасуын өзгерте алады.
Содан соң әртүрлі ұяшықтарды құрылымға біріктіретін металлизация топологиясы жасалады. Машинада сақталатын әртүрлі алгоритмдер арқылы трассировка шығарады. Разводканы жобалау әрқашан құрастырушы бақылауында болады және қажетті шешімдерді алу үшін топологияны өзгертуге болады. Бұл кезеңнің нәтижесі металлизацияны орындауға арналған құжатты дайындау болып табылады.
ҮИС дайындау ЭВМ көмегімен базалық пластинаны өңдеуге қажетті мәліметтерді алудан басталады, яғни қоспалардың тарату сипаты, эпитаксиялық қабат сипаттамалары, диффузиялық процестер параметрлері. Осы алынған мәліметтер негізінде кремнийлі пластинада көпұяшықты құрылым жасалады. Содан соң манина байланысаралық топологияны береді. Оның негізінде әр металлизация қабатының фотооригиналдары мен фотошаблондары дайындалады.
Келесі кезең металлизацияланған разводканы жасау. Ол үшін диэлектрик қабат орналастыру, фотолитография, фотографировка, аллюминий жағу процестерін орындайды. Процесті ҮИС функциялау дұрыстығына автоматты түрде тексеру аяқтайды.
Бұл әдістің артықшылығы құрылымдық және схемотехникалық иекмділігі болып табылады, себебі алдын ала схема элементтерінің бір біріне паразитті әсерін ескеруге, жүктемелерін үйлестіруге, өткізгіштердегі сигналдардың тарлу уақытын нақты есептеуге болады. Бұл қондырғыны қувт бойынша да, жылдамқозғалғыштығы бойынша да оптимизациялауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар көпұяшықты құрылымдар қажетті конфигурациялы схеманы алу үшін элементтердің аз санын қолдануға мүмкіндік береді. Демек, бұл ҮИС құру әдісінде жоғары элементті және функционалды тығыздықты ала аламыз.
Алайда, ҮИС құру пластинада қолданылатын элементтердің 100% шықса ғана мүмкін болады. Қазіргі кезде үлкен пластинадағы ҮИС өндірісінде бұл шартты орындау мүмкіндігі аз болып отыр. Сондықтан көпұяшықты құрылымдарда ҮИС жасауда артық элементтер енгізеді және шектелген өлшемді кристалдарда орындайды.
Фиксирленген разводканы жобалаудың тағы бір әдісі микроматрицалық әдіс. Бұл әдіске сәйкес ҮИС құру үшін қарпайым логикалық операцияларды немесе ақпаратты сақтау функцияларын орындайтын биполяр немесе МДШ құрылымдарында элементар ұяшықтары бар біртекті микроматрицалар қолданылады. Әр ұяшық фиксирленген элементтерден тұрады. Металлизацияның біртекті қабаты арқылы әр ұяшыққа әртүрлі элементтер біріктіріледі, нәтижесінде элементар логикалық схемалар пайда болады. Келесі қабаттар арқылы ұяшяқтарды микроматрицаға біріктіреді. ҮИС металлизациясы орындалғаннан кейін оны функционалдыққа тексереді. Жұмыс істемейтін ұяшықтар табылған жағдайда, оларды микроматрицадан ажыратады.
Программаланатын разводкалы ҮИС. Ұйымдасқан құрылымды шалаөткізгішті пластинада әрқашан дефектілердің бірнеше түрі болады. Осындай пластинада ҮИС құру үшін байланысаралық таңдаулы монтаж әдісін қолданады. Бұл әдіс пластинада қолданылатын шығысының реалды процентін ескереді.
Мұндай программалайтын разводкалы ҮИС құру элементар схемалық бірліктерге, яғни ұяшықтарға негізделген. Дайындалып, функционалдығына тексергеннен кейін таңдаулы монтажды ұяшықтарды ҮИС жүйесіне біріктіреді.
5.2-сурет. Фиксирленген разводкалы ҮИС дайындау процесінің структуралық схемасы.
5.3-сурет. Программаланатын разводкалы ҮИС жасау процесінің құрылымдық схемасы
Программаланатын разводкалы ҮИС жасау процесінің оңайлатылған құрылымдық схемасы 5.3-суретте көрсетілген. Бұл схемаға сәйкес бірінші металлизация бірінші ұяшықтағы схемотехникалық элементтер тобының байланысына орындалады. Бұл деңгей металлизациясының топологиясына контактілік ауданы кіреді. Келесі операция әр элементті зондты өлшегіш құрылғы функционалдығына тексеру болып табылады. Қолданылатын ұяшықтар орналасу координаталары туралы ақпарат ЭВМ өткізгіштер жүйесінің топологиясын жүргізу үшін енгізіледі. Машина металлизация топологиясын жинағын дайындау процесін басқарады.
Разводканың бірінші деңгейін орындағаннан кейін пластинаға фотолитография әдісі бойынша изоляциялық қабат жүргізеді. Содан соң изоляциялық қабат үстіне машиналық разводка арқылы металлизацияның екінші қабатын жасайды. Осылайша үшінші қабат дайындайды. Осымен ҮИС құру аяқталады.
ҮИС құру әдісінде қолайлы байланыстар жүйесіне қол жеткізу қиын. Бвйланыс жүйесін жобалауды жеңілдету үшін элементар ұяшықтардың кейбір артықшылықтарын енгізеді. Бұл әдістің ерекшелігі өндірістегі қолданылатын өнімдер шығысының артуы болып табылады. Сонымен қатар бұл ҮИС кристалында әрқашан жарамсыз кристалдар болады, ал өткізгіштердің разводкасына үлкен аудан керек. Сондықтан программаланатын разводкалы ҮИС фиксирленген разводкалы ҮИС қарағанда интеграция дәрежесі аз болады.
Базалық матрица әдісі бойынша құрылған ҮИС. Мұндай ҮИС әдісімен дайындағанда пластинада базалық матрицаларды бөледі. Матрицаларды программаланатын разводка бойынша өзара байланыстырады. 5.4 а,б,в-суреттерінде үш базалық матрицадағы ҮИС жасау процесі схемалық түрде көрсетілген.
5.4-сурет. ҮИС алудың схемалық түрі: а) пластинадағы жарамды ұяшықтардың орналасу картасы,б) берілген матрицаның бесұяшықты матрицасы,в)дайын матрицалар.
ҮИС жасаудағы бұл комбинациялық әдіс матрицада байланыс жүйесін программалық жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Бұл әдіспен жасалған шалаөткізгішті ҮИС фиксирленген разводкалы ҮИС қарағанда аз интеграция дәрежесіне ие болады. Себебі, кристал көлемінің бір бөлігін жармсыз матрицалар мен контактілік аудан алады.
Әрі қарай бұл базалық матрицалар әдісінде коммутацияланбаған логикалық матрицалар негізінде ҮИС жасау болып табылады. Онда пластина қарапайым әрі кең таралған металлизацияға біріккен құрылымдық элементтерден түзілген. Әдетте бір матрица шамамен әртүрлі параметрлі жүз типті бір бірімен коммутацияланған (мысалы, винтель, триггер т.б.) схемалардан тұрады. Осындай матрица базасындағы функционалдық құрылғы бір немесе бірнеше қабатты разводка арқылы біріккен қарапайым схемаларды біріктіру арқылы қолданушымен жүзеге асырылады. Осымен ҮИС аяқталған құрылымы алынады және ҮИС жасау мәселесі шешіледі. Бұл әдіс сандық жән аналгты ҮИС үшін тән. Оларды жасау үшін әртүрлі типті технологиялық процестерде, әсіресе изопланар, КМОП, КИД т.б. қолданылады.
Қазіргі кезде қарастырылып отырған әдістердің біреуіне таңдау беру қиын. Ең үлкен интеграция дәрежесі фикирленген разводкалы ҮИСның МДШ құрылғысында болса, технологиялығына байланысты ең қарапайым көпқабатты разводка МДШ транзисторында болады.
Инжекциялық қоректі ҮИС. инжекциялық қоректі ИМС сандық ҮИС дамуындағы ең қарқынды дамыған бағыттардың бірі болып табылады. Олар биполяр транзистордағы ИМС қарағанда элемент саны аз және схемаішілік байланыстары аз, логикалық сақтау ұяшықтарында резистрлері болмайды, элементтер мен ұяшықтарда жеке изоляцияны қажет етпейді.
Шина қорегінен басқа барлық схемаішілік байланыстар функционалдық байланыс құру үшін қолданады. Бұл интеграция дәрежесін жоғарылатуға мүмкіндік береді. Инжекциялық қоректі ҮИС МДШ транзистордағы ҮИС қарағанда 1,5-2 есе кіші болады.
Интеграция дәрежесін өсіру сандық құрылғылардың сенімділігін арттырудың ең эффективті әдістерінің бірі болып табылады. Соңғы кезде МДШ құрылғыларының сандық ҮИС интеграция деңгейі ең үлкен болады, бірақ олардың эксплуатациялық сенімділігі жоғары емес. Бұл кемшілікті сенімді инжекциялық қоректі биполяр құрылғыларда ҮИС жасау арқылы жоюға болады.
Инжекциялық қоректі логикалық және сақтау ұяшықтары аз элементтен тұрады, себебі қосымша элементсіз бір көпколлекторлы транзыстор инвертор функциясын атқарады. НЕМЕСЕ-ЕМЕС логикалық ұяшықтары коллектор бойынша бірнеше ұяшықтардың бірігуі арқылы жасалады, ал сақтау ұяшықтары екі транзистордың байланысы арқылы жасалады. Осылайша, сандық ҮИС көпколлекторлы транзисторлардың бір типті құрылымы негізінде құрылады, ал оның түрлері тек коллектор саны мен ауысу ауданына қарай бөлінеді.
Инжекциялық қоректі ҮИСға ақпаратты түрлендіру немесе сақтау үшін керек энергияны арнайы инжекторлық ауысу арқылы заряд тасымалдаушылар инжекциясы өткізеді.
Инжекциялық қоректі ұяшықтардағы схемаішілік байланыстар биполяр ИМС және олардың конфигурацияларын жеңілдету арқылы шығысындағы қолданатын схемалар проценті мен эксплуатациялық сенімділігін жоғарылатуға болады.
Инжекциялық қоректі сандық ҮИС -60-тан +125C температура диапазонында жұмыс істей алады. инжекциялық қоректі ҮИС өндірісінің технологиялық процесі биполяр транзистордағы басқа схемаларға қарағанда қарапайым болып келеді.
Инжекциялық қоректі құрылғылар әмбебап, олардың негізінде орта және төмен жылдамқозғалғыштықты ЭВМ арифметикалық және сақтау құрылғылары жасалады.