Расчет и проектирование СБИС. Лекции

Подождите немного. Документ загружается.

кремниевым

затвором)3)

кремниевым

затвором)

Стоимость

изготовленной

пластины, долл.

35 35 55 40 40

Количество

бездефектных ИС на

пластине, ед.

3000 1000 163 63 2025

Стоимость

изготовления ИС,

цент

1,2 3,5 34 63 2

Стоимость сборки

ИС, цент

7,5 10,1 38 58 8,2

Стоимость

тестирования ИС и

заключительных

операций4), цент

2 3,6 47 52 4,1

Общая стоимость

изготовления ИС,

цент

10,7 17,2 1,19 1,73 14,3

Средняя рыночная

цена одной ИС, цент

14 50 3,05 3,30 35

Прибыль на одну ИС,

цент

3,3 32,8 1,86 1,57 20,7

Прибыль на одну ИС,

24 66 61 48 59

1) С разрешения Integrated Circuit Engineering

2) Все корпусы изготавливаются из пластика

3) Затвор МОП-транзистора выполнен из кремния

4) К заключительным операциям относятся маркировка, сортировка, упаковка и

доставка.

В табл. 2.1.2 приведены некоторые примеры стоимостного анализа,

подобранные фирмой Integrated Circuit Engineering [Electronic News

(Apr. 15, 11975)]. Указанная фирма является консультационной фирмой

в области микроэлектронной промышленности и технологии.

Опубликование действительных затрат и их структуры производится

крайне редко. Примеры стоимостного анализа, включающие затраты

на тестирование (табл. 2.1.3), основаны на проспекте, выпущенном

фирмой Advanced Micro Devices, Inc. в 1978 г.

Таблица 2.1.3. Стоимостной анализ с учетом стоимости тестирования

Доля стоимости ИС, %

Наименование затрат

МИС 0,03

мм2,

14 выводов

СИС 0,05

мм2,

16 выводов

БИС 0,08

мм2,

24 вывода

Стоимость изготовления ИС 20 45 70

Стоимость сборки 75 45 20

Стоимость тестирования 5 10 10

Devices, Inc.

С увеличением степени интеграции компонентов процент выхода

годных изделий понижается (при сохранении на прежнем уровне других

параметров, таких, как плотность упаковки). Соответственно

увеличивается стоимость изготовления ИС, так как возрастает процент

бракованных изделий. При 100%-ном-выходе при увеличении степени

интеграции стоимость, приходящаяся на один вентиль, уменьшается,

поскольку стоимость ИС и ее тестирования увеличивается

незначительно. Учет этих двух противоположных тенденций приводит

к показанной на рис. 2.1.1 зависимости стоимости одного вентиля от

степени интеграции. Приведенная кривая показывает, что если степень

интеграции превышает некоторое пороговое значение, стоимость вентиля

резко возрастает (почти экспоненциально) в результате снижения

выхода годных изделий и преимущества СБИС в стоимостном отношении

теряются. Другими словами, имеется» оптимальный размер кристалла,

или ИС, при котором стоимость вентиля минимальная. При

увеличении степени интеграции выше оптимальной стоимость кристалла

определяется в основном процентом выхода годных изделий, а при ее

уменьшении— затратами на сборку и тестирование. Оптимальное зна-

чение степени интеграции в сочетании с увеличением плотности упаковки

элементов с каждым годом становится все выше (рис. 2.1.2).

Рис. 2.1.1. Зависимость стоимости вентиля от степени интеграции.

Рис. 2.1.2. Изменение оптимального размера ИС.

Каждые несколько лет происходит увеличение размеров пластин, а

также расширение возможностей производства по увеличению размеров

ИС (рис. 2.1.3). Важно подчеркнуть, что размеры ИС, производство

которых экономически выгодно, значительно меньше максимальных

размеров, достижение которых ^обеспечивает современная технология.

Это связано с наличием указанного выше оптимального значения

размеров ИС. Даже (при появлении новой технологии, позволяющей

увеличить максимально достижимые размеры ИС, к действительному

производству ИС таких размеров приступают лишь через несколько лет,

когда оно станет выгодным с экономической точки зрения.

Характер влияния различных факторов на выход годных изделий и их

стоимость отражен в табл. 2.1.4. Последняя графа указывает на значение

кривой обучаемости. В графе «Сложность» показано, что с увеличением

числа используемых масок и усложнением обработки выход годных ИС

снижается.

Рис. 2.1.3. Изменение размеров изготовляемых ИС.

Конечно, за счет совершенствования топологии и внедрения достижений

технологии производства можно добиться уменьшения размеров ИС с

одновременным увеличением ее быстродействия и снижением стоимости.

Процесс улучшения характеристик 4-разрядного микропроцессора с

разрядно-модульной организацией Am2901 фирмы Advanced Micro

Devices, Inc. проиллюстрирован на рис. 2.1.4 (микропроцессор Am290Il

является одним из наиболее широко используемых процессоров на кри-

сталле, выполненных по биполярной технологии).

Таблица 2.1.4. Факторы, влияющие на выход годных изделий и их стоимость

Стоимость

происходит изменение

параметра

При

увеличении

параметра

Число

годных ИС

на пластину

Размер ИС

Вероятность

появления дефекта

Выход годных ИС

после тестирования

ИС разработки полезной

единицы

площади

Объём производства

Сложность

Размер ИС

Число вентилей на пластину

Соединения ввода-вывода

Опыт изготовителя в производстве ИС

1) Буклет «OPTIMUS» фирмы Fairchild Camera, 1972 (С разрешения фирмы Fairchild Camera and Instrument.)

Рис. 2.1.4. Характеристики 4-разрядного микропроцессора с разрядно-модульной

организацией Am2901.

ЗАКОНЫ МАСШТАБИРОВАНИЯ.

Влияние уменьшения размеров приборов на их параметры можно

продемонстрировать на примере полевого транзистора. Характерные размеры

полевого транзистора следующие: ширина W и длина L затвора, толщина

окисла Т

Ох

, глубина диффузии примесей в области стока и истока Xj, ширина,

толщина и длина токоведущей дорожки W

. Изменим все линейные

размеры транзистора в S раз (S<1). Одновременно необходимо принять

дополнительные (независимые) условия масштабирования напряжения

Таблица 1. Масштабные коэффициенты S<1 при различных условиях масштабирования.

Закон масштабирования E = const V

ИП

= const V

КВ

= S

ИП

Напряжение питания S 1 S<S

Размеры S S S

Толщина окисла под затвором S S или S

1/2

Уровень легирования подложки S

-1

питания транзистора и уровня легирования (удельной проводимости)

монокристаллической подложки кремния. В табл. 1 приведены условия

масштабирования для трех случаев: 1) при постоянной напряженности

электрического поля в транзисторе, E=const; 2) при постоянном

напряжении питания, V

ИП

=const; 3) квази постоя ином напряжении

питания V

КВ

. Пусть одновременно с уменьшением линейных размеров

уменьшаются ширина W

и толщина H

токоведущих дорожек

электрических соединений между транзисторами, а удельное

сопротивление материала токоведущих дорожек остается неизменным

(материал не изменяется). Изменение различных параметров

логического элемента при масштабировании в условиях постоянного

поля приведены в табл.2.

Таблица 2. Законы масштабирования параметров полевого транзистора при постоянном

поле E=const

Параметр

Масштабный

коэффициент

Размеры прибора (W, L, T

, x

; W

, H

, L

) S

Напряжение питания V

ИП

Электрическое поле в приборе E 1

Пороговое напряжение в приборе V

Уровень легирования подложки N

-1

Токпитания прибора I S

Емкость затвора C S

Время переключения логического элемента (ЛЭ), τ S

Мощность, рассеиваемая ЛЭ, P S

Работа переключения ЛЭ A = P τ S

Плотность выделяемой мощности P/Σ 1

Сопротивление токоведущих дорожек,

-1

Постоянная времени задержки RC для токоведущих дорожек 1

Плотность тока в соединениях J S

-1

Как видно из таблицы, подобное уменьшение линейных размеров полевого

транзистора в S раз увеличивает его быстродействие в S

-1

раз, мощность

рассеиваемой энергии уменьшается в S

-2

раз, а работа на одно переключение

уменьшается в S

-3

раз. Плотность выделяемой мощности, т.е. отводимого

тепла, остается неизменной. При подобном уменьшении линейных размеров

возникают нежелательные последствия в системе токоведущих дорожек: со-

противление их возрастает в S

-1

раз (хотя их длина сокращается в S

-1

раз,

площадь сечения уменьшается в S

-2

раз). Плотность тока в токоведущих

дорожках увеличивается и S

-1

раз, что снижает их надежность из-за

деградации, вызываемой процессами массопереноса электрическим током.

Из сказанного следует, что стратегия одинакового уменьшения всех

линейных размеров в СБИС не является оптимальной. В практически

важных случаях различным величинам придают различные масштабные

коэффициенты.

Аналогично обстоит дело при масштабировании других параметров.

Например, стратегия масштабирования при постоянной напряженности

электрического поля в приборе предполагает пропорциональное изменениям

линейных размеров уменьшение напряжения питания. При наличии про-

мышленных стандартов на напряжение питания изменение напряжения

питания создает большие затруднения при проектировании и эксплуатации

СБИС, поэтому стратегии масштабирования при постоянном напряжении и

при квазипостоянном напряжении являются наиболее перспективными.

При уменьшении линейных размеров транзисторов может измениться

режим их работы. При постоянном напряжении питания V

ИП

=const поле в

канале будет возрастать по мере уменьшения его длины; дрейфовая ско-

рость электронов будет возрастать пропорционально напряженности поля: v

= μE, μ = const.

Таблица 3. Коэффициенты масштабирования параметров МДП-транзисторов в

условиях μ

= const и v

= const.

E = const V

ИП

= const V

КВ

Параметр

= const v

= const μ

= const v

= const μ

= const v

const

L, W S S S S S S

S S S

1/2

S S

-1

V S S 1 1 S

1/2

I S S S

-1/2

1/2 1

1/2

C S S S

3/2

τ S S S

1/2

3/2

P S

-1/2

1/2

P/A 1 1 S

-5/2

-3/2

-1

τP S

3/2

Однако при некоторой длине канала дрейфовая скорость электронов достигает

максимально возможного (насыщающего) значения: v

= v

max

. Этим двум

случаям отвечают законы масштабирования, приведенные в табл. 3. Там же

приведены значения масштабных коэффициентов при стратегиях

масштабирования E=const, V

ИП

=const и V

КВ

= S

ИП

В биполярном транзисторе масштабируются ширина и длина

эмиттерного контакта W

, L

, толщина базы W

, уровень легирования

базы N

,, напряжение питания V

ИП

. Выбор значений этих величин позволяет

вычислить производные параметры: ток эмиттера I

, емкости переходов

эмиттер — база С

ЭБ

, коллектор — база С

КБ

, коллектор — подложка С

КП

сопротивление базы r

, время задержки переключения τ, рассеиваемую

мощность Р, плотность мощности P/Σ и работу на одно переключение Рτ.

Емкости переходов связаны нелинейно с V

ИП

, а время задержки переключения

τ состоит из нескольких слагаемых, обусловленных перезарядкой

соответствующих емкостей при переключении транзистора.

Таблица 4. Коэффициенты масштабирования параметров биполярного транзистора.

Параметр Вариант 1:

ИП

= const

Вариант 2:

= const

Параметр Вариант 1:

ИП

= const

Вариант 2:

= const

, L

S S С

КП

S 1 r

1 1

-1

1 τ aS

1/2

+bS

2/3

+cS

3/2

+bS

5/3

+cS~S

ИП

1 S P S

P/Σ 1 S

ЭБ

3/2

*) S

Pτ S

КБ

5/3

*) S

*) Указано возможное округление степени масштабного коэффициента S.

Поэтому масштабные коэффициенты этих величин выражаются дробно-

степенными полиномами от масштабного коэффициента S. Законы, полученные

для параметров биполярного транзистора при масштабировании линейных

размеров, приведены в табл. 4*) (транзистор работает в режиме

переключения больших токов).

Приведенные результаты показывают сильную зависимость

важнейших параметров транзистора от масштабного коэффициента. При

масштабировании в условиях V

ИП

= const время задержки переключения т

и потребляемая мощность Р уменьшаются пропорционально S

, работа на

одно переключение уменьшается пропорционально S

, плотность,

выделяемой мощности остаётся постоянной.

Достигнутый рекордный уровень быстродействия ИС на мореных

транзисторах для технология с минимальными размерами 1 мкм

характеризуется временами задержки 0,1— 0,2 не при А =0,02—0,4 пДж.

Кардинальный способ уменьшения средней мощности, потребляемой в ИС на

полевых транзисторах,— использование в ИС одновременно п- и р-канальных

транзисторов (к-МОП ИС). В таких ИС транзисторы с каналом одного типа

проводимости в канале нагружены транзисторами с противоположным типом

проводимости канала, и в результате в статическом режиме через ячейки текут

чрезвычайно малые токи. Можно сказать, что неработающая ИС не потребляет

мощности от источника энергии. При работе в режиме переключений

потребление мощности возрастает, однако в среднем остается в 5—10 раз

меньше, чем для ИС, построенных на транзисторах одного типа проводимости

в канале, поскольку последние потребляют энергию как в статическом режиме,

так и в режиме переключения.

Для биполярных схем можно создать аналогию к-МОП-схемам на полевых

транзисторах, если в качестве п- и р-канальных транзисторов использовать

биполярные транзисторы п—р—п- и р—п—р-типов. Однако изготовление в

едином технологическом процессе одинаково совершенных п—р—п- и р—

п—р-транзисторов оказалось очень сложным делом, и «дополняющие»

биполярные ИС не получили широкого распространения.

Весьма интересной ветвью развития ИС на полевых транзисторах являются ИС

на кремнии на сапфире (КНС), в которых транзисторы изготовлены в пленке

монокристаллического кремния, выращенной на диэлектрической подложке

из монокристаллического сапфира (А1

). Опыт показывает, что как время

задержки, так и потребляемая мощность в ИС на КНС уменьшаются

примерно в два раза по сравнению с ИС на полупроводниковой подложке.

Некоторые заводы изготавливают ИС со структурой «кремний на сапфире».

Однако стоимость пластины КНС значительно выше, чем пластины из

монокристаллического кремния, из-за трудностей выращивания

монокристаллов сапфира больших диаметров, их механической обработки

(резки, шлифовки, травления), а также сложности процесса получения совер-

шенных монокристаллических слоев кремния на сапфировой подложке из-за

гетерогенности структуры Si—А1

. При уменьшении размеров

транзисторов до субмикронной области возникают изменения в характере

физических процессов, протекающих при функционировании транзистора.

Интересным примером таких изменений является бес-столкновительный

перенос электронов через базу биполярного транзистора или через канал

полевого транзистора. При бесстолкновительном переносе электронов

твердотельный транзистор функционирует примерно так же, как элект-

ровакуумная лампа, в которой электроны без столкновений переносятся от

катода к аноду. В этих условиях вольтам-перные характеристики

транзистора становятся сходными с вольтамперными характеристиками

вакуумной лампы. При размерах порядка 0,01 мкм и менее на первый план

выступают туннельные явления.

Наиболее ярким достижением физики полупроводников в последние годы

в направлении создания структур с туннельно-тонкими слоями являются

так называемые сверхрешетки, т. е. искусственные («синтетические»)

полупроводники, в которых чередуются слои полупроводников двух типов и

более толщиной 1—10 нм(10~

—10~

мкм). Эти структуры являются

продуктом естественного развития физики гетеропереходов, т. е. переходов

между двумя различными полупроводниками [14]. Сверхрешетки обладают