книги / Основы построения САПР и АСТПП

ИС. Используя выбранную математическую модель схемы, мож­ но осуществить детерминированную оптимизацию номинальных значений параметров, при которых выполняется система (1.7) и один из функциональных параметров, например /зр, Р или задан­ ная комбинация функциональных параметров, принимает экстре­ мальное значение. Для детерминированной оптимизации и после­ дующих расчетов необходимо задать начальные приближения на граничные значения тестовых параметров:

Данную систему неравенств можно записать в общем виде:

где / = 1, 2, z,-— тестовые параметры; &* — граничные макси­ мальные или минимальные значения (нормы отбраковки) тесто­ вых параметров.

В общем виде система ограничений такова:

Возможны три подхода к статистической оптимизации интег­ ральных схем: •

1)статистическая оптимизация по нормам отбраковки bj при заданных и неизменных моментах законов распределений ху

2)статистическая оптимизация по параметрам х, при задан­ ных и неизменных нормах отбраковки by,

3)общая статистическая оптимизация по параметрам х,- и

нормам отбраковки bj.

В результате статистической оптимизации определяются нормы отбраковки bj, при проверке по которым процент годных схем будет максимальным, и у всех схем, прошедших контроль по тестовым параметрам, гарантировано выполнение требований ТЗ на функциональные параметры.

Топологическое проектирование. Разработка топологии ИС включает в себя решения ряда взаимосвязанных задач: размеще­ ния компонентов, проведения внутрисхемных соединений и созда­ ния конструкторской документации для изготовления фотошабло­ нов. Последняя задача часто сводится к получению информации на машинных носителях для программно-управляемого оборудо­ вания, предназначенного для изготовления фотошаблонов. При размещении компонентов осуществляется конструктивный расчет

21

пассивных компонентов. Конструкции активных компонентов оп­

ределяются в результате .выполнения этапов 2...5 полного цикла проектирования. Методика инженерного решения первых двух из

■перечисленных задач разработки топологии ИС состоит в сле­ дующем:

1)принципиальная электрическая схема перечерчивается та­ ким образом, чтобы выводы схемы располагались в желаемой последовательности и все компоненты соединялись с минималь­ ным количеством пересечений;

2)определяется число необходимых изолированных областей исходя из анализа потенциалов коллекторных областей компо­ нентов;

3)все сопротивления, имеющие на одном конце фиксирован­ ный потенциал (питание), подключаются к наиболее положи­ тельному потенциалу схемы. Для улучшения развязки под сопро­ тивлениями рекомендуется делать скрытый л+-слой;

4)чтобы учесть диффузию примеси под маскирующий оксид, при составлении топологии рекомендуется размещать компонен­ ты схем (за исключением контактов) на расстоянии от щели под разделительую диффузию, равном удвоенной толщине эпитак­

сиального слоя;

5)межкомпонентные соединения осуществляются проведени­ ем проводников поверх диффузионных сопротивлений. Чтобы из­ бежать пересечений, можно предусмотреть изготовление на крис­ талле небольшого сопротивления на эмиттерном диффузионном слое;

6)для уменьшения паразитных емкостей подложка соединя­

ется с наибольшим отрицательным потенциалом питания (для КМОП схем — с наибольшим положительным потенциалом);

7)для улучшения развязки между коллекторными изолиро­ ванными областями контакт к подложке делают рядом с наибо­ лее мощным выходным транзистором схемы;

8)для уменьшения паразитных связей и во избежание зако­ рачивания контактной площадки на подложку при термокомпрессия контактные площадки располагаются на толстом слое оксида в изолированных областях.

Процент выхода годных ИС сильно зависит от занимаемой площади, поэтому необходимо стремиться к минимизации пло­ щади, на которой располагается ИС.

При размещении компонентов и проведении соединений сна­ чала вычерчивают 2...4 компонента, соединяют их в соответствии с принципиальной электрической схемой, подстраивают к обра­ зовавшемуся узлу еще 2...4 компонента и т. д. Если один крис­ талл используется для создания нескольких схем, то сначала вычерчивается наиболее сложная ИС. Основное требование при проведении внутрисхемных соединений — минимизация числа пересечений, так как использование эмиттерной диффузионной

22

области в качестве проводника хоть и возможно, но нежела­ тельно.

Подготовка конструкторской документации (КД) для изго­ товления фотошаблонов — простая, но трудоемкая задача и час­ то служит источником ошибок. Для проверки правильности ко­ ординат масок рекомендуется обратное восстановление тополо­ гической схемы. Конструктивный расчет пассивных компонентов обычно не представляет трудностей. Работа по данному этапу заканчивается созданием комплекта КД для изготовления фо­ тошаблонов.

Размещение компонентов в наиболее сильной степени влия­ ет на динамические характеристики ИС. Поэтому после решения топологических задач рассчитываются паразитные емкости, свой­ ственные данной конкретной топологической схеме, и затем вновь учитываются на этапах 3 ... 4 полного цикла проектирования интегральных схем.

Трудоемкость работ на данном этапе резко возрастает с уве­ личением степени интеграции ИС. Чем выше технические требо­ вания к ИС, тем сильнее оказывается необходимость учета взаи­ мосвязи этапов проектирования.

Физико-технологическое проектирование. Физическая струк­ тура (диффузионный профиль, электрофизические параметры в различных диффузионных слоях) ИС определяется требования­ ми, предъявляемыми к основному транзистору, находящемуся в составе серии. Основным называется транзистор, электриче­

ские параметры которого наиболее сильно влияют на выходные параметры ИС. Основной транзистор определяется на этапе схемотехнического проектирования с помощью анализа чувстви­ тельности. Для расчета остальных компонентов (транзисторов, диодов, сопротивлений) используется выбранная физическая структура основного транзистора. Изменение только геометрии компонентов является удобным методом получения различных характеристик компонентов, и в известной мере это необходимо для обеспечения однородности продукции данной серии ИС. Вы­ бор оптимальной геометрии компонентов (особенно транзисто­ ров), применяемых в ИС, — одна из важнейших задач. Практи­ чески для каждой ИС желательно использовать такую геометрию компонентов, которая наиболее целесообразна в данном конкрет­ ном случае. Например, если в схеме используются транзисторы, включенные параллельно, то предпочтительнее геометрия с об­ щим коллектором внутри одной изолированной области; если схема должна работать с высокой скоростью переключения, то

используют компоненты с малыми геометрическими размерами; если схема должна работать при высоких уровнях тока, то используют компоненты с увеличенными геометрическими разме­ рами. Объединение коллекторных областей может применяться при создании новой схемотехники, например ТТЛ-схем.

23

В зависимости от того, как ведется проектирование ИС — на освоенном технологическом процессе или на вновь разрабатывае­ мом,— определяется и характер решаемых задач.

П ри п р о е к т и р о в а н и и на о с в о е н н о м т е х н о л о ­ г и ч е с к о м п р о ц е с с е необходимо получить характеристики активных компонентов разнообразных геометрических конфигу­ раций (рис. 1.5, а...д). Причем измеряются те электрические па­ раметры, которые описывают модели компонентов, используемые

Рис. 1.5. Примеры топологий биполярного транзистора (а...д)

на этапе синтеза и анализа принципиальных электрических схем. В зависимости от конкретной схемы и требуемых характеристик в настоящее время наибольшее распространение получили сле­ дующие модели: кусочно-линейная, модификации модели Эбер- са—Молла, распределенные. Геометрические параметры, харак­ теризующие конфигурации активных компонентов, используются при решении топологических задач. Для получения образцов ак­ тивных компонентов разрабатывается специальная тестовая топологическая схема. Тестовая топологическая схема должна содержать конфигурации активных компонентов, которые на ос­ нове имеющегося опыта и данных литературы можно считать наиболее перспективными для разрабатываемой серии ИС. Тес­ товая топологическая схема обычно содержит и специальные тес­ товые компоненты для контроля параметров физической струк­ туры я ошибок изготовления. В некоторых случаях в тестовой топологической схеме может использоваться одна или несколько масок металлизации, соединяющих компоненты в схему.

С помощью тестовой топологической схемы решаются следую­ щие задачи:

—выбор нескольких типов геометрических конфигураций ак­ тивных компонентов, которые предположительно должны удовле­ творять схемотехническим требованиям;

—набор статистических данных по параметрам активных ком­ понентов в различных режимах работы;

—исследование характера и значений параметров паразит­ ных связей между компонентами ИС;

—контроль процессов изготовления фотошаблонов и фотоли­

тографии, определение минимально допустимых размеров топо­

24

логических элементов и запасов на совмещение, необходимых при решении топологических задач;

— выявление систематических ошибок процессов изготовле­ ния фотошаблонов и фотолитографии для учета их при разработ­ ке топологических схем.

Если предполагается выбирать один из нескольких имеющих­ ся технологических методов изготовления ИС, то при разработке тестовой топологической схемы это необходимо учитывать.

из имеющихся технологических процессов серию ИС спроектиро­ вать невозможно, определяются требования к новому процессу. Критериями выбора физической структуры и геометрии в плане на этом этапе для интегрального транзистора являются парамет­ ры Ала, {т, с к и Са. Оценки этих параметров делаются на основа­ нии предполагаемых законов распределения примесей и электро­ физических параметров структуры. Затем разрабатывается инже­ нерная методика расчета электрических параметров активных компонентов и решаются задачи, для которых применяется тесто­ вая топологическая схема. Для расчета параметров как инте­ гральных, так и дискретных транзисторов используют следующие исходные данные:

2 VD \t\ — диффузионная длина акцепторной примеси; No— кон­ центрация атомов донорной примеси в эпитаксиальной пленке. При этом х = 0..Л, где А —толщина эпитаксиального слоя;

2) геометрические размеры интегрального транзистора в пла­ не и параметры, зависящие от конфигурации:

— геометрические размеры базовой области в плине hi, 1б2 и

1б1>1б2]

—толщина эпитаксиального слоя А;

— геометрические размеры эмиттерной области в плане —

hi, 1э2 И 1э\>1э2\

• — коэффициент пропорциональности между сопротивлением базы и поверхностным сопротивлением базового диффузионно­ го слоя Кг,

— коэффициент пропорциональности между сопротивлением коллектора и удельным сопротивлением коллекторного слоя КгРазмеры /б1, 1б2, hi и /э2 задаются без учета диффузии под

25

оксид. Коэффициенты К\ и Кг обычно определяются моделиро­

ванием;

3)электрофизические параметры транзисторной структуры

ифизические константы.

Для расчета интегрального транзистора в качестве исходных данных задаются токи и напряжения, при которых следует вы­ числять соответствующие электрические параметры: напряже­ ние на коллекторном переходе UK\ напряжение на эмиттерном переходе Ua\ ток эмиттера /э; ток коллектора /к.

Работа по данному этапу заканчиваются определением ори­ ентировочных значений параметров активных компонентов раз­ личных геометрических конфигураций для имеющихся или пред­ полагаемых технологических процессов изготовления ИС. При необходимости определяется комплекс требований ко вновь раз­ рабатываемому технологическому процессу изготовления ИС.

§1.4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО­ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Функционально-интегрированный элемент (ФИЭ) представля­ ет собой элемент ИС, выполняющий одновременно несколько раз­ личных функций. На первых этапах развития микроэлектроники логические ИС, с точки зрения схемотехники, представляли собой аналоги известных схем, выполненных на дискретных компонен­ тах. К ним относятся транзисторные логические схемы с непо­ средственными связями (ТЛНС), схемы диодно-транзисторной логики (ДТЛ), ЭСЛ. Структурно-топологически они представля­ ют собой сформированные в одном кристалле полупроводника активные и пассивные компоненты, расположенные в отдель­ ных изолированных областях и объединенные в функциональную схему металлизацией. При таком способе изготовления схемо­ технические и структурно-топологические решения были слабо взаимосвязаны. Первым классом, в котором схемотехника и структурно-топологические решения были взаимно обусловлены, был класс схем ТТЛ, где впервые применялась структура, не имеющая дискретного аналога, — многоэмиттерный транзистор. Для проектирования таких схем потребовалось проведение работ по исследованию и разработке математических моделей многоэмиттерных транзисторов. В последние годы повышение степени интеграции шло путем поиска новых сочетаний схемотехнических решений со структурно-топологическими при одновременном улучшении уровня технологии. Под каждое удачное сочетание приходилось разрабатывать новые математические модели, мето­ ды их решения и т. д., т. е. проводить работу по совершенствова­ нию этапов 3...5 методики проектирования (см. § 1.3).

С 1965 г. наблюдается значительный рост информационной емкости полупроводниковых запоминающих устройств (ЗУ) и

26

снижение удельной площади, приходящейся на 1 бит. Это обус­ ловлено переходом от традиционного исполнения ИС к функцио­ нально-интегрированному в сочетании с новыми схемотехниче­ скими и технологическими приемами. Под традиционным испол­ нением подразумевается наличие прямого соответствия между элементами электрической схемы и ее воплощением в кристалле. Функционально-интегрированное исполнение заключается в сов­ мещении ряда рабочих областей компонентов (активных и пас­ сивных) в одной изолированной области. При этом один и тот же элемент физической структуры (р-л-переход или диффузионная область) одновременно выполняет несколько различных функ­ ций, например р-л-переход одновременно выполняет функции коллектора в одном транзисторе и функции эмиттера в другом. При этом геометрия и взаимное расположение элементов конст­ рукции (р-л-переходов, эпитаксиальных и диффузионных слоев, омических контактов и т. д.) выбираются так, чтобы обеспечить необходимые пути протекания токов и падения • напряжения, т. е. правильное функционирование структуры в качестве логи­ ческого элемента или элемента хранения двоичной информации. Существенное повышение плотности расположения элементов на кристалле получается за счет сокращения количества изоли­ рованных областей, вскрываемых отверстий под контакты и ко­ личества металлизированных соединений между компонентами в схеме.

Функционально-интегрированные элементы находятся в на­ чальной стадии развития, и поэтому их классификация в целях выявления основных закономерностей развития и поиска новых элементов представляет практический интерес. Известные функ­ ционально-интегрированные элементы классифицируются с ис­ пользованием иерархического принципа: тип—класс—вид. Рас­ сматриваются только функционально-интегрированные элемен­ ты, построенные на биполярных транзисторных структурах.

По т ипу с х е м о т е х н и ч е с к о г о п о с т р о е н и я л о г и ­ ч е с к о й схемы, выполняющей элементарные логические функ­ ции И—ИЛИ в сочетании с инверсией, различают логические схе­ мы: транзисторной логики с непосредственными связями (ТЛНС), диодно-транзисторные (ДТЛ), транзисторно-транзис­ торные (ТТЛ), транзисторной логики со связанными эмиттера­ ми (ЭСЛ) низкоуровневой логики (НУЛ).

По к л а с с у м е т о д о в ф у н к ц и о н а л ь н о й и н т е г р а ­ ции выделяют следующие: 1) совмещение пассивных компо­ нентов: а) с базовыми областями транзисторов, б) с коллектор­ ными областями транзисторов; 2) совмещение рабочих областей различных активных компонентов (диодов, транзисторов), обла­ дающих вертикальной структурой; 3) совмещение отдельных областей различных транзисторов п-р-п- и p-л-р-типов с верти­ кальной и горизонтальной структурой.

27

В пределах каждого из типов функциональные интегриро­ ванные элементы подразделяются на несколько классов в со­ ответствии с числом известных методов функциональной ин­

диодов (ДЦД); 2) транзисторную цепь питания (ТЦП); 3) инжекционную цепь питания (ИЦП).

Организация цепи питания в функционально-интегрированных элементах имеет большое значение. Классическая цепь питания интегральных схем, построенная на резисторах (РЦП), не позво­ ляет достичь высокой плотности компоновки. Совершенствование ИС и привело к новым способам организации цепи питания. В пределах каждого класса предполагается различать несколько видов функционально-интегрированных элементов, отличающихся организацией цепи питания.

Предложенную классификацию представим в виде табл. 1.1. Каждая из областей, находящаяся на пересечении класса и вида (в пределах типа), соответствует определенному функционально­ интегрированному элементу. Области, отмеченные знаком + , со­ ответствуют известным, а отмеченные знаком Ф — практически реализованным видам функционально-интегрированных элемен­ тов. Неотмеченные области — это неисследованные элементы. Незаконченность таблицы по горизонтали и вертикали в преде­ лах каждого класса свидетельствует о возможности появления новых способов организации цепей питания и методов функцио­ нальной интеграции.

Предложенная классификация может быть удобным руковод­ ством в поиске новых видов функционально-интегрированных эле­ ментов на базе комбинаций известных схемотехнических решений и средств функциональной интеграции.

Один из сдерживающих факторов развития функционально­ интегрированных элементов — сложность их проектирования. Анализ конструктивно-топологических решений функционально­ интегрированных элементов показывает, что их проектирование обладает рядом специфических особенностей: необходимо учиты­ вать распределенный характер р-п-переходов вдоль диффузион­ ных областей; двумерный, в ряде случаев трехмерный, характер физической структуры и др. Теоретический анализ режимов ра­ боты таких элементов можно осуществить на основании решения нелинейных дифференциальных уравнений в частных производ­ ных второго порядка со смешанными граничными условиями, что возможно только с помощью быстродействующих ЭВМ с боль­ шим объемом оперативной памяти. Проектирование топологии БИС с использованием ФИЭ в отличие от проектирования БИС на традиционных логических (запоминающих) элементах лучше поддается автоматизации, так как проектирование топологии

28

элемента и самой БИС можно проводить в значительной мере независимо.

Т а б л и ц а 1.1

Вид цепи питания

П р и м е ч а н и е . РБТ — функциональный элемент (ФЭ) с резисторами, совмещенными с базовыми областями транзисторов; РКТ — ФЭ с резистора­ ми, совмещенными с коллекторными областями транзисторов; СВГТ— ФЭ с совмещенными областями вертикальных и горизонтальных п-р-п- и р-л-р-типов проводимости; СВВТ — ФЭ с совмещенными областями вертикальных тран­ зисторов дополняющих р-л-р- и л-р-л-типов проводимости.

$ 1.5. СХЕМА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭВМ

На каждом из описанных этапов проектирования ИЭТ (см. § 1.3) проектировщик действует по одной и той -же схеме (рис. 1.6) независимо от того, использует он какие-либо технические средства, например ЭВМ, или нет. На каждом этапе исходными

29

Данные

предыдущего этапа проектирования

этап

проектирования

Рис. 1.6. Схема маршрута проектирования ИЭТ