Основы микроэлектроники (курс лекций)

Вид материала

Содержание

Основные процессы
Производства имс
Показатели загрязненности воздуха в различных условиях
0,5 мкм и более
Число бездефектных изделий
8.2. Стоимостный анализ ИМС
8.3. Особенности построения и реализации современных БИС

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7 8

Лекция 24

Основные процессы. По аналогии с МОП-транзисторами металлические электроды ПЗС называют затворами. Рабочие напряжения на затворах ПЗС больше порогового напряжения. Поэтому в полупроводнике под затворами образуются сравнительно глубокие обедненные слои. Что касается тонких инверсных слоев вблизи поверхности полупроводника, то, как мы узнаем потом, в ПЗС их образование нежелательно.

Как известно, глубина обедненного слоя находится в прямой зависимости от напряжения на затворе. Эта зависимость — плавная (не скачкообразная). Получается, что из-за малого расстояния между МДП-элементами их обедненные слои сливаются в единый обедненный слой, "дно" которого имеет определенный рельеф, соответствующий распределению напряжений на затворах. Так, если напряжение –U₁ на всех затворах одинаково, обедненный слой вдоль всей поверхности имеет одну и ту же глубину (рис. "а"). Если же отрицательное напряжение на данном затворе больше, чем на двух смежных, то под ними получается "углубление" (рис. "б" и "в"). Геометрическому рельефу обедненных слоев соответствует потенциальный рельеф: в области "углублений" обедненного слоя имеет место минимум потенциала — потенциальная яма.

Пусть на затворах З₁ и З₃ (рис. "б") действуют напряжения –U₁, а на среднем затворе З₂ — более отрицательное напряжение –U₂. Тогда на границах затвора З₂ образуются электрические поля, препятствующие перемещению положительных зарядов — дырок из-под этого затвора. Поэтому, если под затвором З₂ создать тем или иным способом зарядовый пакет дырок, то он будет сохраняться в этой области длительное время. Дырки не могут уйти из этой области из-за наличия тормозящих полей на ее границах, а в самой области под затвором почти нет электронов, с которыми дырки могли бы рекомбинировать. Этот случай в ПЗС называют режимом хранения, а напряжение U₂ — напряжением хранения.

Итак, суммарный положительный заряд под затвором определяется напряжением на затворе (в данном случае - напряжением U₂). Поэтому появление дырочного пакета сопровождается уменьшением заряда "обнаженных" доноров в обедненном слое, т.е.

– 47 – Лекция 24

уменьшением глубины этого слоя (на рис. "б" рельеф обедненного слоя в отсутствие дырок показан штриховой линией). Очевидно, что максимальный заряд дырочного пакета ограничен величиной, при которой рельеф обедненного слоя выравнивается; тогда тормозящие поля на границах между затворами исчезают и дырочный пакет распределяется вдоль всей поверхности.

Как уже говорилось, образование дырочных инверсионных слоев под затворами нежелательно. Действительно, в процессе хранения дырочного пакета под данным затвором и под смежными затворами появляются дополнительные дырки, обусловленные термогенерацией носителей. Тогда заряд пакета увеличивается и делается сравнимым с зарядом дырок под смежными затворами, и в конце концов заряды под всеми затворами выравниваются, и понятие зарядового пакета, лежащее в основе работы ПЗС, теряет смысл. Следовательно, время хранения ограничено сверху. Это ограничение зависит от того, какое изменение заряда дырочного пакета допустимо за время хранения. Если оно составляет 1%, то время хранения обычно не превышает 10–20 мс.

Рассмотрим теперь процесс перемещения зарядового пакета от одного затвора к другому. Пусть на затвор З₃ подано отрицательное напряжение –U₃, большее, чем напряжение –U₂ на затворе З₂ (рис. "в"). Тогда на границе затворов З₂ и З₃ образуется

ускоряющее электрическое поле, способствующее перемещению дырок к затвору З₃. Соответственно, дырочный пакет, хранившийся под затвором З₂, пойдет под затвор З₃ и останется здесь, поскольку на границе со следующим затвором З₄ действует тормозящее поле.

Ввод зарядового пакета под тот или иной затвор называют режимом записи информации, а напряжение –U₃, обеспечивающее такой ввод — напряжением записи.

В процессе записи зарядовый пакет переходит под смежный затвор не полностью: имеют место потери заряда. Такие потери обусловлены двумя причинами. Во-первых, процесс перетекания заряда от одного затвора к другому — асимптотический, так что во время записи не весь заряд успевает перейти под смежный затвор. Во-вторых, часть носителей, хранившихся под предыдущим затвором, оказывается захваченной приповерхностными ловушками и не успевает "оторваться" от них по время записи. Для того, чтобы потери заряда при его перемещении были минимальны, необходимо время записи сделать достаточно большим. Обычно оно составляет 50 нс и более.

Разумеется, при прочих равных условиях время записи уменьшается с уменьшением расстояния между затворами, с увеличением подвижности носителей и напряжения записи.

Области применения:

1. Задержка входного импульса на точно заданное время.

2. Построение стековых ЗУ.

3. Хранение массивов информации (без произвольной выборки) с регенерацией.

4. Ввод заряда в ПЗС путем локального освещения поверхности.

Раздел 8. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И

ПРОИЗВОДСТВА ИМС

8.1. Выход годных ИС

Цель нашей сегодняшней лекции — стоимостный анализ МЭ технологии с целью принятия экономически целесообразных решений в современных условиях.

При производстве ИС возможно появление многих дефектов.Некачественными могут оказаться сами подложки: например, могут присутствовать другие примеси, кроме требуемых, или может быть нарушена кристаллическая решетка из-за несоблюдения

– 48 – Лекция 24

температурного режима при выращивании кристалла. Дефекты могут также возникать из-за присутствия частиц пыли — ведь размеры элементов на кристалле меньше размера пылинок. Характерный пример:

Показатели загрязненности воздуха в различных условиях

	Число частиц пыли 0,5 мкм и более	в 1 л воздуха 5 мкм и более
Помещение для пр-ва БИС Стратосфера 40 км 10 км Над океаном В городе: чистом загрязненном	3,57 7 20 2 500 177 000 350 000	28 69

Другие причины дефектов — некачественное травление, несовмещения масок, царапины на масках, нечеткость изображения, и т.д. Некоторые ИС могут быть разрушены при разделении подложки на отдельные кристаллы. Возможны дефекты разводки. Корпуса ИС могут быть недостаточно герметизированы, так что внутрь может проникнуть влага и потом вызвать химическую эрозию.

Даже если каждый этап в процессе производства выполнен почти безупречно, процент выхода при наличии большого числа этапов получается низким. Это подтверждается теоретическими расчетами:

Процент выхода определяется отношением числа бездефектных изделий к их общему количеству:

Число бездефектных изделий

Р = ––––––––––––––––––––––––––  100%. (1)

Общее количество изделий

Хотя этот показатель сильно зависит от многих факторов, его значение обычно уменьшается с увеличением размеров кристалла. Это отражается экспоненциальной

зависимостью:

Р = k₁^. e ^–^k²^D , (2)

где D — площадь кристалла, а k₁ и k₂ — коэффициенты. На практике примерный выход составляет 90% для МИС и 10% для БИС. При производстве новейших микро-

– 49 – Лекция 24 – 25

процессоров в Японии и США начальный выход годных составляет менее 1%, но после многолетнего совершенствования технологии его иногда можно поднять до 50%.

Эти показатели зависят от конкретных фирм и носят конфиденциальный характер.

(Конец лекции 24)

Лекция 25

8.2. Стоимостный анализ ИМС

На величину стоимости ИС в основном влияют следующие факторы:

1. НАЧАЛЬНЫЕ ВЛОЖЕНИЯ. Для разработки новой БИС/СБИС потребуются месяцы или годы на проектирование архитектуры, логической и электрической схем и топологии ИС. Затем проект проверяется на опытном образце, и лишь после этого

готовится к серийному производству. Затраты на этом этапе включают в себя зарплату инженеров и техников, стоимость расчетов, оригиналов масок, пластин и опытного

образца ИС. Если степень интеграции невысока, то данная стадия будет простой и начальные затраты невелики.

2. СТОИМОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. Состоит из затрат на изготовление каждой ИС, ее установку в корпус и проверку. Приближенную цифру можно получить, разделив стоимость изготовления пластины на количество получаемых из нее бездефектных ИС (с учетом затрат на сборку и контроль). Тогда стоимость одной БИС

С_БИС = С_ПКР/N + C_изг, (3)

где С_ПКР - стоимость проектно-конструкторских работ (начальные вложения), С_изг — стоимость изготовления одной БИС, N - общее число выпущенных БИС. Уже при N = 100 тыс первое слагаемое в (3) намного меньше второго, поэтому главная задача — понизить С_изг. Это можно сделать, повысив процент выхода годных (см. ф-лу (2)). Для этого нужно уменьшать площадь кристалла, т.к. при этом уменьшается плотность дефектов в расчете на один кристалл. Поэтому при разработке ИС, планируемой к сбыту в больших количествах (порядка миллионов штук), ее проектирование ведут тщательным образом, не считаясь с временными затратами и стремясь обеспечить минимальные размеры ИС. Это называется методом полного проектирования — топологию и конструкции отдельных элементов выполняют вручную, а затем подключают машинное проектирование для их размещения и разводки соединений.

Когда объем выпуска изделий невелик, первый член в формуле (3) значительно больше второго. Поэтому не так важно сокращать стоимость изготовления ИС, а постараться снизить затраты на проектирование. Это можно сделать, используя принцип частичного проектирования, частным случаем которого является так называемое символьное проектирование. Инженер использует наработанные ранее варианты ячеек, хранящиеся в библиотеке САПР. Он просто компонует эти стандартные ячейки на поле кристалла, а затем с помощью САПР делает разводку соединений и уточняет готовое решение.

Нежелание делать дурную работу завело инженеров еще дальше. Сейчас появились совершенно новые принципы разработки и изготовления БИС, которые мы сейчас рассмотрим. Запишите название следующего параграфа.

– 50 – Лекция 25

8.3. Особенности построения и реализации современных БИС

Уровень развития микроэлектроники позволяет создавать весьма сложные в функциональном отношении микросхемы. Однако сложная ИМС, как правило, специализированная, т.е. ориентирована на выполнение лишь определенных функций. Получается, что, с одной стороны, проектирование и производство БИС требует больших затрат, а с другой — их номенклатура должна быть велика.

Из этой противоречивой ситуации найдены два выхода. Первый — это создание ИМС, функции которых могут быть заданы подачей на их входы наборов внешних сигналов. Такая функциональная перестройка программными средствами есть особенность микропроцессорных БИС.

Второй выход заключается в построении микросхем на основе БАЗОВЫХ МАТРИЧНЫХ КРИСТАЛЛОВ (БМК), представляющих собой матрицу не соединенных заранее элементов, связи между которыми формируются в соответствии с

назначением ИМС на этапе трассировки. На основе одного БМК можно сформировать десятки и даже сотни функционально различных устройств.

Из второго подхода выделилось еще одно направление, где частично используются идеи первого: построение БИС на основе ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ МАТРИЦ (ПЛМ). Здесь схема тоже формируется на основе матрицы элементов, но в отличие от БМК соединения можно не только создавать, но и разрушать. Более того, имеются такие ПЛМ, в которых формирование схемы осуществляется не с помощью заказных масок, как в БМК, а электрическим путем — подачей программирующих сигналов.

Изготовление БМК и ПЛМ — это путь к сокращению сроков разработки и изготовления БИС, а также расширению их функционального разнообразия. Очень часто заказчику нужны какие-то конкретные ИМС или БИС в небольшом количестве (сотни-тысячи штук). Эти серии выпускаются тогда, когда поступает заказ от тех или иных предприятий аппаратостроения. Поэтому такие ИМС и БИС называют либо заказными (если БИС полностью изготавливается по документации заказчика), либо полузаказными (если только часть конструкции проектируется по заказу).

Для выполнения заказа на БИС, реализуемую на основе БМК, уходит несколько недель, а БИС на основе ПЛМ — еще меньше — несколько дней. Становится обычным делом, например, что предприятие-завказчик покупает БМК, а затем на своем оборудовании само выполняет необходимую разводку.

Таким образом, создание новых БИС можно сравнить с проведением отделочных работ в недостроенном здании. Но мы можем использовать не только проект-полуфабрикат, но и изделие-полуфабрикат, делая из него, что нам нужно, как ребенок делает себе разные игрушки из одного и того же конструктора. Кстати, такой модульный принцип применяется не только в микроэлектронике (ЭВМ, механизмы и машины).

Итак, БМК являются универсальными кристаллами-заготовками, расположенными на полупроводниковой пластине. Для изготовления специализированных БИС на их основе нужно сделать 1–2 заказных фотошаблона, с помощью которых формируются электрические связи по заданной принципиальной схеме.

Программируемые логические устройства имеют матричную структуру и шинную организацию элементов (каждый элемент соединяется со своей вертикальной и гори-зонтальной шиной). Получение нужного устройства осуществляется пользователем путем "загрузки" (введения информации) внутренних регистров или воздействием на отдельные элементы матриц (пережигание перемычек, пробой диодов, изменение режимов работы полупроводниковых приборов).

– 51 – Лекция 25

В практике используются такие разновидности ПЛУ, как программируемые логиче-ские матрицы (ПЛМ) и программируемые постоянные запоминающие устройства (ПЗУ). Так можно делать преобразователи кодов, формирователи символов, генераторы, счетчики, контроллеры и др.

Еще один вопрос: что лучше — БМК или ПЛМ? Смотря для чего! БМК выгодно применять при проектировании БИС высокого быстродействия — благодаря меньшей длине соединительных проводников. В ПЛМ используются длинные и угловатые

соединительные шины с большими паразитными емкостями, снижающими быстродей-ствие. ПЛМ выгодно применять при малых объемах производства, так как требуется не более одного фотошаблона, а затраты на программирование невелики (используются специальные программаторы). Но площадь кристалла оказывается больше (высокая избыточность элементов и наличие встроенных регистров программирования, которые потом не нужны), и при больших партиях себестоимость кристаллов увеличивается.

(конец лекции 25 и конец курса)

_______

Blog

Основы микроэлектроники (курс лекций)

Содержание

Лекция 24