Глава 12 повышение степени интеграции и направление функциональной электроники

12.1. Проблемы повышения степени интеграции

Степень интеграции (число элементов и компонентов на кри­сталле N или k =lgN) является условным количественным показа­телем сложности ИС. Различают интегральные схемы МИС – ма­лой степени интеграции (k = 1;2); СИС – средней степени интегра­ции (k = 3;4); СБИС – сверхбольшой степени интеграции (k = 5;6;7) и УБИС – ультрабольшой степени интеграции (k > 7). Достаточно большой установленный интервал значений N (или k) в каждой группе учитывает различную технологическую сложность конкрет­ных ИС, связанную с их назначением (аналоговые или цифровые) и типом используемых элементов (биполярные или полевые).

Поэтому принято степень интеграции логических ИС опреде­лять не просто числом элементов (транзисторов, диодов, резисто­ров) на кристалле, а числом простейших логических элементов (ЛЭ) – обычно двухвходовых вентилей. Это позволяет учитывать специфику ЛЭ цифровых ИС, где логические схемы занимают су­щественную часть площади кристалла. Число таких вентилей в МИС до 10, в СИС до 10², в БИС от 10² до 10⁵, в СБИС от 10⁵ до 10⁷ и в УБИС свыше 10⁷.

Здесь мы будем говорить, в основном, о проблемах, связанных с переходом к СБИС. Дело, однако, не столько в количественном, сколько в качественном отличии технологии СБИС, свойств их эле­ментов, применяемой схемотехники и методов проектирования. Для создания СБИС необходима новая технологическая база. Она характеризуется разработкой прецизионных методов литографии с разрешающей способностью 1 мкм и менее, применением сухих методов травления и низкотемпературных процессов (менее 1000 °С), использованием тонких эпитаксиальных структур и мелкозале­гающих р-n-переходов (с глубиной порядка 0,1 мкм), применением многослойных систем разводки соединений и комплексной автоматизации технологического процесса. Важнейшей из перечислен­ных технологических проблем является проблема субмикронной литографии. Разрешающая способность фотолитографии ограни­чивается длиной волны света (примерно 1 мкм). Поэтому субмик­ронная литография должна использовать излучение со значитель­но меньшей длиной волны (электронные, ионные, рентгеновские лучи), т.е. использовать принципиально другую физическую и тех­ническую основу производства.

В СБИС размеры элементов приближаются к своим физичес­ким пределам. При размере 0,1...1 мкм характеристики элементов могут существенно измениться. Требуется разработка уточненных теорий, удовлетворительно описывающих параметры и характери­стики элементов в таких условиях, и широкое проведение экспери­ментальных исследований.

В связи с этим большое практическое значение имеет разра­ботка новых конструкций элементов, позволяющих добиться повы­шения степени интеграции при существующей разрешающей способности литографии: создание функционально-интегрированных элементов, самосовмещение различных областей и создание трехмерных (многослойных) структур.

В функционально-интегрированных элементах одна и та же по­лупроводниковая область совмещает функции областей несколь­ких простейших элементов (см., например, § 11.6). В основе идеи самосовмещения лежит использование ранее созданных на кри­сталле структурных элементов в качестве масок для получения по­следующих элементов, многократное легирование через одно и то же отверстие в маске и другие технологические приемы. Большой эффект дает сочетание самосовмещения с регулированием гори­зонтальных размеров, скоростью и длительностью процессов фор­мирования слоев (травление, окисление и т.п.). Это позволяет по­лучить субмикронные размеры некоторых областей при разрешаю­щей способности фотолитографии более 1 мкм, а также ослабить влияние на размеры элементов точности совмещения масок. В трехмерных структурах элементы располагаются не в одной плос­кости, а формируются в разных слоях, чередующихся в вертикаль­ном направлении.

Исключительно важной является проблема воспроизводимо­сти параметров элементов с субмикронными размерами, а также увеличения процента выхода годных кристаллов. Это требует по­вышения точности контроля всех технологических процессов, ка­чества исходного материала, снижения плотности дефектов в сло­ях диэлектриков, металлов, резистов и масок для литографии. Для получения высокого процента выхода годных кристаллов при соз­дании СБИС предусматривается резервирование элементов и уз­лов. Для проверки правильности функционирования; автоматичес­кого поиска неработоспособных узлов и их замены резервными в СБИС могут использоваться дополнительно встроенные внутрен­ние блоки, работающие по определенной программе.

Продолжающаяся миниатюризация отдельных полупроводни­ковых приборов ведет к уменьшению их размеров и увеличению плотности упаковки (на единицу площади кристалла). Вследствие этого сокращается время прохождения сигнала между приборами, а это создает возможность повысить рабочую частоту (быстродей­ствие). Однако получение межэлементных соединений при боль­шой плотности упаковки становится серьезной проблемой, ограни­чивающей быстродействие. Установлено, что в наибольшей степе­ни ограничение быстродействия наблюдается в вентильных мат­рицах, имеющих сравнительно длинные соединения.

Дело в том, что внутри ИС соединения приходится уже рассмат­ривать не как RC-линию, а как RL-линию небольшой длины, мало влияющую на быстродействие. Основной же причиной ограниче­ния является погонная емкость линий связи, которые могут быть довольно длинными. Пусть линия связи имеет погонную емкость С. Если длина линии l и через нее надо передать импульс с амплиту­дой U в течение t секунд, то за каждый импульс в линию вводится мощность . Мощность, передаваемую по соединительной линии, можно снизить, уменьшив амплитудуU или используя ме­нее быстродействующие логические схемы. И наоборот, увеличив мощность, можно повысить скорость переключения (эти выводы справедливы по отношению к ИС с высоким уровнем интеграции независимо от того, что вносит ограничение – прибор или соедине­ния). При высоком быстродействии ограничением станет невозмо­жность отвода выделяющейся теплоты. Поэтому при проектирова­нии необходимо выбрать тип структуры, характеризующийся мень­шим произведением «быстродействие • мощность».

Основное ограничение, обусловленное соединениями в пра­вильно спроектированных УБИС, обычно связано с указанной про­блемой отвода теплоты от кристалла. Ограничение, накладывае­мое на произведение «быстродействие • мощность», в случае бо­лее высоких уровней интеграции диктуется не требованием, свя­занным с быстродействием, а необходимостью отвода более высо­кой рассеиваемой мощности.

Остановимся на одной особенности УБИС, связанной с взаимо­действием ее элементов. При обычном описании БИС/СБИС пред­полагается, что каждый «прибор» ведет себя одинаково как в «изо­лированном» состоянии, так и в составе системы. При этом счита­ется, что полная функция системы (или ИС) определяется исклю­чительно расположением соединительной металлизации, предна­значенной для того, чтобы связать отдельные приборы друг с дру­гом. Это удобно для конструирования приборов и систем. Однако такой подход зависит от реальной возможности изоляции каждого элемента прибора от окружающих его приборов (за исключением планируемой связи, осуществляемой путем создания матрицы со­единения). Такое упрощение, по-видимому, будет ошибочным для УБИС с субмикронными размерами, где изоляция одного прибора от другого (а для общности и от окружающей части металлизации) труднодостижима.

Возможные механизмы взаимодействия приборов друг с дру­гом многочисленны и включают в себя такие эффекты, как емкост­ная связь (одним из примером которой является паразитная ем­кость между соединительными линиями), туннелирование и перетекание зарядов.

Влияние взаимодействия между соседними приборами на по­ведение приборов и схем в УЬИС чаще всего проявляется в связи с тиристорным эффектом и эффектами, обусловленными высоко­энергичными («горячими») носителями. Следствием этих эффек­тов является возрастание тока подложки и тока неосновных носи­телей. Применяемые в настоящее время методы борьбы с тири­сторным эффектом основаны на уменьшении коэффициента усиления по току, на жесткой регулировке рабочего напряжения и на принятии определенных ограничений на структуру, например изго­товление изолирующих канавок, заполненных окислом.