книги / Элементы свербольших интегральных схем

Г л а в а 1

СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ИХ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

1.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Смомента появления (начало 60-х годов) первых полупровод­ никовых микросхем микроэлектроника прошла путь от простейших логических элементов до сложных цифровых устройств, изготов­ ленных на одном кристалле. Настоящий этап развития микроэлек­

троники характеризуется переходом к получению существенно лучших параметров устройств: степень интеграции 104 ... 106 эле­ ментов на кристалле, субмикронные размеры элементов в плос­ кости кристалла и субнаносекунднбе время переключения элемен­ тов «[1]. Термин «сверхбольшие» отражает только количественное отличие СБИС от менее сложных ИС и только по одному пара­ метру — степени интеграции. Потребность ввести такой термин возникла в конце 70-х годов, когда класс БИС настолько расши­ рился, что стал охватывать степень интеграции в пределах более двух порядков величины.

Дело, однако, не столько в количественном, сколько в качест­ венном отличии технологии изготовления СБИС, свойств их эле­ ментов, 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

козалегающих р-п переходов (с глубиной порядка 0,1 мкм), при­ менением многослойной системы разводки соединений и комп­ лексной автоматизацией технологического процесса. Важнейшей из перечисленных технологических проблем является проблема субмикронной литографии. Разрешающая способность фотолито­ графии ограничивается длиной волны света (примерно 1 мкм). Поэтому субмикронная литография должна использовать излуче­

В СБИС размеры элементов приближаются к своим физичес­ ким пределам. Для пояснения этого достаточно заметить, что раз­

4

меры 0,1 ... 1 мкм соответствуют толщине запирающих слоев р-п переходов транзисторов. Поэтому характеристики элементов при таких размерах могут существенно изменяться. Это требует раз­ работки уточненной теории, удовлетворительно описывающей па­ раметры и характеристики элементов в таких условиях, новых методов моделирования (например, трехмерного моделирования физической структуры), а также широкого проведения экспери­ ментальных исследований.

Большое значение имеет разработка новых конструкций эле­ ментов, позволяющих добиться повышения степени интеграции при неизменной разрешающей способности литографии: создание функционально-интегрированных элементов, самосовмещение раз­ личных областей и создание трехмерных (многослойных) струк­ тур. В функционально-интегрированных элементах [2] одна и та же полупроводниковая область совмещает функции областей не­ скольких простейших элементов. В основе идеи самосовмещения лежит использование ранее созданных структурных элементов в качестве масок для получения последующих элементов, много­ кратное легирование через одно и то же отверстие в маске и другие технологические приемы. Большой эффект дает сочетание самосовмещения с регулированием горизонтальных размеров ско­ ростью и длительностью процессов формирования слоев (травлеления, окисления и т. п.). Это позволяет получить субмикронные размеры некоторых областей при разрешающей способности фо­ толитографии более 1 мкм, а также ослабить влияние на размеры элементов точности совмещения масок. В трехмерных структурах элементы не располагаются в одной плоскости, а сформированы в разных слоях, чередующихся в вертикальном направлении. При­ мерами могут служить комплементарные МДП-структуры, в кото­ рых р-канальные транзисторы располагаются над «-канальными в пленке отожженного поликремния, запоминающие МДП-элемен- ты, в которых накопительные тонкопленочные конденсаторы на­ ходятся на поверхности кристалла над транзисторами (гл. 3), эле­ мент И2Л с инжектором-подложкой (гл. 5) и др.

Исключительно важной является проблема воспроизводимости параметров элементов с субмикронными размерами, а также уве­ личения процента выхода годных кристаллов. Это требует повы­ шения точности контроля всех технологических процессов, каче­ ства исходного материала, снижения плотности дефектов в сло­ ях диэлектриков, металлов, резистов и масок для литографии. Для получения высокого процента выхода годных кристаллов при создании СБИС предусматривается резервирование элемен­ тов и узлов. Для проверки правильности функционирования, авто­ матического поиска неработоспособных узлов и их замены резер­ вными в СБИС могут использоваться дополнительные встроенные внутренние блоки, работающие по определенной программе.

Огромное влияние СБИС оказывают на методы построения и параметры цифровой аппаратуры, в которой они используются. Это влияние сводится не только к миниатюризации, повышению

5

быстродействия, надежности и снижению стоимости, но и к реше­ нию проблемы машинного интеллекта, которым определяется ка­ чественный скачок в развитии возможностей вычислительной тех­ ники и, в значительной степени, дальнейший научно-технический прогресс '[3]. Вот поэтому 80-е годы можно назвать началом «эрьг СБИС». Осознание важности создания и серийного освоенияСБИС привело к широкому развертыванию работ в этой области,, в том числе к созданию национальных программ по СБИС во’ многих странах и резкому увеличению числа научных публика­

улучшение основных показателей ИС (степень интеграции, быстро­

уменьшения размеров и улучшения конструкций транзисторов,, упрощения логических и запоминающих элементов.

На рис. 1.1 показано, как изменялась во времени максималь­ ная степень интеграции (кривая 1) [5]. Согласно закону «удвое-

Рис. 1.1. Рост степени интеграции во времени

Рис. 1.2. Снижение минимального топологического размера

1— предел оптической литографии

ния» (прямая 2) степень интеграции в среднем ежегодно удваи­ вается. Отклонения от него обусловлены постепенным приближе­ нием размеров элементов к их физическим пределам, а такжесильным усложнением технологических процессов. Рост степени интеграции в большей мере происходил за счет улучшения фото­ литографии, т. е. снижения размеров элементов (кривая 4), раз­ работки новых конструкций элементов и совершенствования схе­ мотехники (разность между кривыми 1 и 5), а также роста раз­ меров кристаллов (кривая 5). Важнейшим параметром, характе­ ризующим развитие технологии, является разрешающая способ­

6

нение А в ходе развития технологии показано на рис. 1.2. От ми­ нимального топологического размера зависит минимально дости­ жимая площадь элементов. Плотность элементов на кристалле оп­ ределяется не только их площадью, но и площадью линий связи и рассеиваемой мощностью ;[7]. Для достижения уровня СБИС

# > 1 0 4 требуется обеспечить плотность элементов более 500 мм-2 (при площади кристалла 20... 30 мм2) и рассеиваемую мощность

СБИС. Первое развивается на основе кремниевых МДП-транзис- торов и позволяет получить максимальную степень интеграции

характеризуется повышенным быстродействием (задержка рас­ пространения 0,1... 0,5 ис), но меньшей степенью интеграции (104 ... 105). Третье направление позволяет достигнуть сверхвы­ сокого быстродействия (задержка распространения 50... 200 пс) при степени интеграции 103 ... 104, оно развивается на основе ар- сенидо-галлиевых металл-полупроводниковых полевых транзисто­ ров (МЕП ПТ).

Первые цифровые СБИС появились в конце 70-х годов на ос­ нове кремниевых МДП-транзисторов. Это были схемы памяти динамического типа информационной емкостью 16К бит. В насто­ ящее время созданы схемы памяти динамического типа емкостью 256К бит... 1М бит с временем выборки 100...200 нс. По мере ро­ ста информационной емкости время выборки и рассеиваемая мощ­ ность (200... 400 мВт) увеличивались незначительно вследствие снижения размеров элементов и соединительных проводников.

Помимо динамических развивались МДП-схемы памяти ста­ тического типа. Они характеризуются меньшей степенью -ин­ теграции (приблизительно в 4 раза), но обладают более высоким быстродействием и помехоустойчивостью, а также более удобны для .применения. Кроме того, в последние годы интенсивно раз­ вивались СБИС постоянной электрически перепрограммируемой памяти, достигшие степени интеграции 64К бит при достаточно малом времени считывания (150... 300 нс) и программирования (единицы миллисекунд).

Большие успехи достигнуты при создании микропроцессоров на МДП-транзисторах, разработаны 16-разрядные и разрабатывают­ ся 32-разрядные микропроцессоры, логические элементы которых имеют задержку распространения единицы наносекунд и работу переключения — десятые доли пикоджоулей. Широкое распрост­ ранение получили вентильные матрицы со степенью интеграции на уровне СБИС и аналогичными параметрами логических эле­

ментов.

Параллельно с МДП СБИС развивались схемы на кремние­ вых биполярных транзисторах. В начале 80-х годов были разра­

7

ботаны схемы памяти статического типа на элементах И2Л (интегральная инжекционная логика) емкостью 16К бит с вре­ менем выборки 25... 30 нс и рассеиваемой мощностью 200... 400 мВт. В настоящее время созданы СБИС с информационной емко- •

стью 64К бит.

Наиболее быстродействующие схемы памяти с меньшей емко­ стью (1К бит), использующие элементы ЭСЛ-типа, имеют время выборки 3... 5 нс при рассеиваемой мощности 500 мВт. Созданы также 16-разрядные микропроцессоры на структурах И2Л с за­ держкой распространения логических элементов 3... 5 нс и рабо­ той переключения около 0,1 пДж.

Арсенидо-галлиевые цифровые схемы начали развиваться значи­ тельно позднее в силу новизны и сложности технологии. Поэтому они характеризуются меньшей степенью интеграции (порядка 103) , но она непрерывно растет. Для логических элементов в составе БИС достигнуты задержки распространения 100... 150 пс. Разра­ ботаны экспериментальные схемы памяти информационной емко­ стью 1К бит и временем выборки 2 .7. 4 нс. Таким образом, крем­ ниевые МДП СБИС к настоящему времени являются наиболее развитым направлением и характеризуются наиболее широкой номенклатурой серийно выпускаемых схем различного назначе­ ния, арсенидо-галлиевые СБИС находятся в стадии разработки.

1.2.ЭЛЕМЕНТЫ ЦИФРОВЫХ СБИС

Вданной книге под элементами СБИС понимаются полевые МДП- и МЕП-транзисторы, биполярные транзисторы и простей­ шие логические и запоминающие элементы; последние в большин­ стве случаев являются функционально-интегрированными, поэто­ му выделить в их полупроводниковой структуре отдельные тран­ зисторы затруднительно. Площадь функционально-интегрирован­ ного элемента приближается к площади транзистора.

Максимальная степень интеграции в МДП СБИС обусловлена простотой конструкции и малой площадью транзисторов, возмож­ ностью их структурного объединения в функционально-интегриро­ ванные элементы и простотой схемотехники логических и запоми­ нающих элементов. Это обеспечйвает высокую плотность эле­ ментов, недоступную для большинства других схем.

Несмотря на то, что МДП-транзисторы давно известны и, ка­ залось бы, хорошо изучены, при переходе к СБИС необходим их детальный анализ, так как многие предпосылки, лежащие в осно­ ве традиционной теории транзистора, теряют силу при длине ка­ нала 1... 3 мкм; при этом в транзисторах проявляется ряд эффек­

тов, приводящих к ухудшению их параметров и характеристик (гл. 2). Большинство из них обусловлено изменением распределе­ ния и ростом напряженности электрического поля в транзисторе.

Разработан метод снижения размеров транзисторов, при кото­ ром не происходит ухудшения параметров — метод масштабиро­ вания (пропорциональной миниатюризации). Этот метод состоит

8