Методическое пособие 700

уменьшилась, за это время отношение используемой площади кристалла к общей возросло с 12 до 65 %.

Рис. 3.2. Эволюция минимального размера элементов ИС (1) и отношения полезной поверхности кристалла к общей (2)

С другой стороны, для БИС и СБИС ограничениями минимальных размеров

элементов являются рассеиваемая мощность и длина линии связи между элементами на кристалле.

Для нормального функционирования СБИС полная мощность Р, рассеиваемая межсоединениями, должна быть существенно меньше отводимой от кристалла

где Q – мощность, отводимая с единицы площади; S – площадь кристалла схемы.

Соотношение между длиной линии связи l на кристалле ИС и рассеиваемой мощностью Р определяется условиями отвода рассеиваемой мощности от поверхности ИС. Если с единицы площади поверхности кристалла отводится мощность Q (Вт/см2), то при рассеиваемой мощности Р на вентиль и при работе одного из 10 вен-

тилей в кристалле для площади l2 на один вентиль получим условие:

Соответствующая обратная величина, равная числу логических элементов, приходящихся на 1 см2 поверхности ИС, отражает уровень развития технологии и называется степенью интеграции:

При этом оптимальная степень интеграции

Для кремния при U = 1 В, d ≈ 0,1 мкм, поверхностной плотности отводимой

Pопт = 1 мВт, Sопт = 105 см-2, lопт = 14 мкм.

В то же время в кремниевых ССБИС (сверхскоростных) с предельно высоким быстродействием оптимальная степень интеграции Sопт больше зависит от времени задержки на вентиль, а не от минимальных размеров логических элементов, поэтому получим расчетное значение Sмакс = 108 см- 2, что на три порядка больше определенного значения Sопт для БИС.

Достигаемая при построении некоторых СБИС цель состоит в получении не максимального быстродействия, а максимальной энергетической экономичности и соответственно максимальной степени интеграции при менее жестких требованиях к

быстродействию. Минимальное значение рассеиваемой при этом мощности, определяемое как:

при Q = 10 Вт/см2 составляет Рмин = 1 мкВт. Этому значению при принятых параметрах отвечает оптимальное время задержки ηопт = 0,3 нс. При этом произведение Рмин·ηопт = = 0,3 фДж < Ропт·ηмин = 2 фДж (ф – фемто =

10-15). Эта величина, характеризующая энергию, рассеиваемую вентилем за одну логическую операцию, называется коэф-

фициентом качества логического элемента.

3.3. Конструктивно-технологическое исполнение ИС

по методу изоляции элементов

Компоненты ИС, полученные в одном кристалле, должны быть надежно изолированы один от другого так, чтобы между ними не возникало нежелательной электрической связи. По существу, метод изоляции определяет конструктивнотехнологическое исполнение схемы. Применяемые в настоящее время методы изоляции ИС можно условно разделить на три группы.

Изоляция p-n-переходом (диодная изоляция) – осуществляется с помощью диффузии. К ней относятся наиболее распространенный стандартный метод изоляции с помощью разделяющей p+- диффузии, коллекторной или базовой изолирующей диффузии и др.

Комбинированная изоляция, когда боковая поверхность изолируется диэлектриком, нижняя граница приборов p-n-

переходом. Диэлектрическая изоляция осуществляется с помощью термического толстого оксида SiO2 или комбинации оксида и нитрида (карбида) кремния.

Полная диэлектрическая изоляция,

когда приборы со всех сторон изолированы диэлектриком. К одному из первых методов изоляции такого типа относится EPIС-процесс, сюда же должна быть отнесена КНС-технология, так как активные элементы формируются на диэлектрической (сапфировой) подложке.

Создание изоляции является одной из самых ответственных и трудоемких операций изготовления биполярных схем, поэтому совершенствование биполярной технологии связано, в первую очередь, с уменьшением параметров изоляции, уменьшением площади, занимаемой под изоляцию, увеличением пробивных напряжений изолирующих областей, исклю-

чением паразитных связей и снижением паразитных емкостей.

До 1964 г. изоляция элементов в ИС осуществлялась только с помощью p-n- переходов, изготовляемых диффузионным способом. В настоящее время широкое распространение получили методы изоляции элементов с помощью диэлектриков.

В качестве диэлектрика в основном используется двуокись кремния. Преимущество этого метода по сравнению с изоляцией p-n-переходом состоит в том, что получаемые ИС с изоляцией элементов двуокисью кремния обладают большей стойкостью к радиационным воздействиям. При применении метода диэлектрической изоляции оксидом чаще всего используют кремний ориентации [100], так как ямка травления в этом случае имеет V- образную форму и занимает меньше площади, чем в случае ориентации [111].

Однако технологический процесс получения оксидной изоляции значительно сложнее получения изоляции p-n- переходом, поэтому возможность внесения скрытого дефекта в ИС возрастает.

В качестве диэлектрика могут использоваться и другие материалы, например карбид кремния, осажденный из газовой фазы, с последующим выращиванием двуокиси кремния. При этом получается более прочная, химически инертная структура, чем в случае двуокиси кремния. Аналогично используется и нитрид кремния. Однако методы с применением этих материалов менее отработаны или очень сложны в технологическом отношении, поэтому в настоящее время они находят ограниченное применение.

3.4. Оптимизация межсоединений

Проблема межсоединений является основной при разработке больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). В период развития ИС малой степени интеграции они рассматривались как совокупность активных элементов, взаимодействующих через межсоединения. БИС и СБИС представляются уже системами сигнальных линий, которые возбуждаются активными элементами и имеют следующие особенности:

—площадь, занимаемая межсоединениями, увеличилась с 20 % для ИС первой и второй степеней интеграции до 80 % для СБИС;

—с увеличением числа логических элементов в БИС и СБИС увеличивается число внешних межсоединений;

—энергия, затрачиваемая на перезарядку проводников, составляет 70 – 75 %

от всех энергетических затрат в СБИС и имеет тенденцию к увеличению;

—величина погонной емкости межсоединений составляет 10-11 Ф/м и влияет на частотные характеристики СБИС;

—время задержки сигнала определяется числом межсоединений и их схематическим решением;

—с увеличением частоты сигналов резко возрастает волновое сопротивление межсоединений;

—при увеличении числа межсоединений появляется необходимость многоуровневой разводки, что значительно усложняет технологию производства БИС;

—структура и надежность микросоединений определяют структуру и надежность систем на основе БИС, СБИС.

ВСБИС общая длина проводников примерно в 800 раз превышает длину кри-

сталла. Если предположить, что одна половина проводников расположена вертикально, а другая – горизонтально, то произвольная линия в кристалле пересечет в среднем 400 проводников. Поэтому на один логический элемент приходятся десятки проводников и требуется так расположить межсоединения, чтобы создать минимальные помехи. С этой целью трассировку межсоединении необходимо оптимизировать.

При произвольном размещении элементов и ортогональной трассировке

средняя длина связи lcв определяется ли-

нейными размерами монтажного поля кристалла Lкр:

где К – коэффициент, Lкр = (L1 + L2)/2, L1, L2 – длина и ширина кристалла.

Статический анализ различных трассировок БИС и СБИС показывает, что реально достижимый уровень оптимизации средней длины подчиняется степени 1/3, т.е.

где N – количество элементов на кристалле.

Эта зависимость дает хорошее приближение к реальным значениям средней длины связи для сложных схем и может служить ориентиром при оценке алгоритмов и программ автоматизации трассировки.

Предельное значение ширины линии межсоединений = 0,1 – 0,5мм определяется механизмами джоулевого разогрева,

электромиграции, допустимым временем задержки сигнала (увеличением волнового сопротивления).

Для увеличения степени интеграции делают многоуровневую разводку. Так, на фирмах США (Моtоrоlа и Fаirсhild) разработаны быстродействующие логические матрицы на ЭСЛ-схемах с временем задержки 280 – 300 пс/вентиль. Схемы имеют три слоя металлизации: верхний предназначен для распределения питания, два нижних – для создания схем логики. Только применение высокоэффективных САПР позволило полностью автоматизировать процессы размещения и соединения элементов.

В настоящее время основными материалами для межсоединений являются алюминий и поликремний. Большее предпочтение имеет поликремний. Он обеспечивает низкое пороговое напряжение, хорошее перекрытие ступенек, однородное и

экономичное осаждение. Поликремний является высокотемпературным материалом, и это позволяет производить отжиг после операции травления и ионного легирования. Поликремний широко применяется для создания затворных межсоединений. Алюминий и алюминиевые сплавы применяют в основном для межсоединений отдельных элементов ИС.

С дальнейшим уменьшением размеров элементов и межсоединений между ними возможности этих двух материалов исчерпываются. Так, при размерах элементов менее 2 мкм увеличение сопротивления поликремния резко снижает быстродействие схем. Для алюминиевых токоведущих дорожек характерным значением размера элемента является 1 мкм. С уменьшением этого значения резко возрастает электромиграция алюминия.

С 1997 г. в микроэлектронной промышленности стали применять медные соединения из-за хорошей проводимости меди, позволяющей изготовлять сверхбыстрые схемы. Другие достоинства меди – высокая температура плавления, равная 1083 С, обеспечивающая соединениям высокую теплостойкость.

Идут энергичные поиски новых материалов. Интерес вызывают силициды металлов и тугоплавкие материалы. Однако их нанесение требует, как правило, высокотемпературных технологических процессов, а также разработки сложных процессов травления структур. Перспективным является химическое осаждение вольфрама из паровой фазы, позволяющее получить пленки с поверхностным сопротивлением 0,06 Ом/ٱ. В качестве материала для межсоединений используется молиб-

ден, дающий тонкую зернистую структуру и позволяющий получить более точный рисунок схем.

Электромиграция, возрастание волнового сопротивления, краевые емкости межсоединений, джоулев разогрев и прочее ухудшают характеристики межсоединений и, следовательно, их надежность.

Электромиграция в межсоединеииях представляет процесс перемещения атомов на границе межсоединений, обусловленный градиентом электрохимического потенциала и перепадом температур, которые вызывает движущие силы подобно термоэлектрическому эффекту. Постоянный поток атомов через проводник на границах зерен, дислокациях испытывает завихрения. Дивергенция этого потока, обусловленная массопереносом, изменяет

геометрию проводника, что приводит к его разрушению.

Время работы межсоединений оце-

где С – коэффициент, S – поперечное сечение соединения, см2; j – плотность тока, А/см2; Q = 2 – 9 для разных материалов ИС; Ea – анергия активации атомов; Т – температура; k – постоянная Больцмана.

Например, для алюминия: Q = 2, С = 1012 А2с/см6, Еа = 1,2 эВ при Т = 150°С, S = 10-7 см2, j = 106 А/см2, – получим по дан-

ной формуле время работы межсоединения, равное tр = 108 с ≈ 28 лет.

Контрольные вопросы

1.Какова основная цель при разработке ИС?

2.Каковы технические требования по плотности дислокаций, по плотности дефектов упаковки, по максимальной толщине и неравномерности защитных пленок, по содержанию легирующих примесей в ФСС?

3.Каков допустимый уровень влажности воздуха в подкорпусном объеме ИС?

4.Какова допустимая плотность тока для расчета конструкции ИС?

5.Каковы значения минимальных толщин металлизации?

6.Каков подход в настоящее время к допускам на элементы ИС?

7.Расскажите о влиянии размера кристалла и плотности дефектов на выход годных ИС.

8.Определите минимальные размеры полупроводниковой структуры на примере резкого p-n-перехода.

9.Каковы реально возможные минимальные размеры кристалла?

10.Какова эволюция минимальных размеров элементов ИС и отношение полезной площади кристалла к общей?

11.Расскажите о степени интеграции,

оеѐ оптимальной и максимальных значениях.

12.Что такое коэффициент качества логического элемента?

13.Расскажите о конструктивнотехнологических методах изоляции.

14.Расскажите об оптимизации межсоединений в ИС.

15.В чем ограничение применения поликристаллического кремния для межсоединений?

16.Дайте определение электроми-

грации.