Элементов микросхемы

В настоящее время лазеры из уникальных лабораторных приборов стали широко применяемыми установками, без которых нельзя представить себе современную науку и промышленность. Лазеры используют в электронной технике и технологии для сварки и пайки, создания прецизионных элементов микросхем, напыления пленок и др. Неограничены также возможности применения лазеров в радиотехнике. Простейшие расчеты показывают, что оптический диапазон частот в 50 000 раз шире радиодиапазона. Так, только в диапазоне видимого света (0,4—0,7 мкм) могут одновременно работать 80 миллионов телевизионных каналов со стандартной полосой пропускания 6,5 Мгц. Кроме того, лазеры широко используют в медицине, геологии, металлообработке и др. Но, пожалуй, наиболее важным является создание на их основе лазерных термоядерных реакторов.

36. Иванов Р. Д. Катодный метод создания пленочных элементов микросхем. М., 1972.

Наименование микросхем Набор элементов микросхем Потребляемый ток, мА Ц", В. не более ?/', В, не менее Время задержки, нС

измерения характеризуются рядом особенностей, обусловленных весьма малыми размерами пленочных элементов, большим количеством и разнообразием таких элементов на одной подложке, а также широким диапазоном значений измеряемых параметров. Кроме того, с развитием тонкопленочной микроэлектроники наблюдается тенденция к ужесточению допусков на параметры элементов (в основном элементов аналоговых ИМС). Поэтому при измерении параметров элементов микросхем используют специальные приспособления, служащие для надежного подключения пленочного элемента к измерительному прибору и получения небольшого переходного сопротивления между зондом приспособления и контактной площадкой ИМС при малой площади контактирования.

Электрофизические свойства коммутационных проводников и контактных площадок в значительной степени определяются свойствами применяемых материалов, к которым предъявляются следующие требования: высокая электропроводность; хорошая адгезия к подложке; высокая коррозионная стойкость; обеспечение низкого и воспроизводимого переходного сопротивления контактов; возможность пайки или сварки выводов навесных компонентов и проволочных перемычек, используемых для электрического соединения контактных площадок платы с выводами корпуса; совместимость технологии нанесения пленочных коммутационных проводников и контактных площадок с технологией изготовления других элементов микросхем. Самым распространенным материалом тонкопленочных проводников и контактных площадок в ГИС повышенной надежности является золото с подслоем хрома, нихрома или титана. Подслой обеспечивает высокую адгезию, а золото — нужную электропроводность, высокую коррозионную стойкость, возможность пайки и сварки. Толщина пленочного проводника обычно составляет 0,5—1,0 мкм.

Таблица 5. Основные параметры логических элементов микросхем

В современной практике приходится измерять электрическое сопротивление в очень широком диапазоне — от наноомов (например, при исследовании явлений сверхпроводимости) до значений порядка 1014 Ом и более (при измерении сопротивления изоляции, определении характеристик полупроводниковых и изоляционных материалов). Очень различны требования к точности измерений. Так, если при поверке образцовых мер сопротивления 1-го разряда погрешность измерения не должна превышать десятитысячных долей процента, то при измерении переходного сопротивления контактов, сопротивления заземления или сопротивления изоляции вполне допустима погрешность порядка нескольких процентов. Широким является также диапазон допустимой мощности рассеивания различных исследуемых объектов — от микроваттов (для элементов микросхем, малогабаритных термисто-ров) до сотен ватт и даже больше (для обмоток мощных электрических машин, трансформаторов).

верхности (см. 1.1). Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование — площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструкция и технология изготовления транзисторов должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов и т. д) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем.

Основным достоинством ИС по сравнению с аналогичными схемами на дискретных элементах являются малые габаритные размеры, масса и повышенная надежность. При производстве ИС требуются меньшие затраты за счет применения высокопроизводительного автоматизированного оборудования, возможно существенное сокращение труда и получение лучших характеристик схем благодаря идентичности параметров элементов микросхем. Повышается надежность за счет автоматизации технологических операций и снижения вероятности выхода из строя отдельных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле. При эксплуатации таких приборов без существенных затрат может быть введено резервирование, что повышает надежность их работы.

Степень и характер интеграции элементов микросхем определяются прежде всего уровнем технологии.

В современной практике приходится измерять электрическое сопротивление в очень широком диапазоне — от наноомов (например, при исследовании явлений сверхпроводимости) до значений порядка 1014 Ом и более (при измерении сопротивления изоляции, определении характеристик полупроводниковых и изоляционных материалов). Очень различны требования к точности измерений. Так, если при поверке образцовых мер сопротивления 1-го разряда погрешность измерения не должна превышать десятитысячных долей процента, то при измерении переходного сопротивления контактов, сопротивления заземления или сопротивления изоляции вполне допустима погрешность порядка нескольких процентов. Широким является также диапазон допустимой мощности рассеивания различных исследуемых объектов — от микроваттов (для элементов микросхем, малогабаритных термисто-ров) до сотен ватт и даже больше (для обмоток мощных электрических машин, трансформаторов).

Подложками пленочных ИМС служат пластины из диэлектрического материала—ситалла, стекла, керамики, применяются также полиимидные пленки. Большинство перечисленных материалов обладает относительно низкой теплопроводностью, что затрудняет отвод теплоты от элементов микросхемы. В то же время мощные функциональные узлы (мощные усилители, вторичные источники питания, генераторы и другие) разрабатываются обычно в виде пленочных ИМС. В этом случае подложкой могут служить сорта керамики с высокой теплопроводностью (например, бериллиевая керамика), сапфир, иногда можно использовать анодированный алюминий. Тонкая пленка окисла на поверхности металла служит изоляцией для элементов пленочной микросхемы. Вместе с тем, имея небольшую толщину и значительную площадь, эта пленка не обладает большим тепловым сопротивлением. Керамические подложки, имеющие шероховатую поверхность, для тонкопленочных микросхем малопригодны и используются преимущественно для толстопленочных микросхем.

При современнбм уровне технологии разрешающая способность фотолитографии определяет достижимые геометрические размеры структур ИМС и достижимую поверхностную плотность размещения элементов микросхемы на подложке. При химическом травлении тонких пленок через контактную маску существенную погрешность вносит боковое подтравливание, т. е. разрушение участков пленки под кромкой маски. Контур получаемого рисунка становится нечетким, а погрешность достигает величины, приближающейся к толщине пленки.

6. Коэффициент объединения по входу характеризует максимальное количество входов логических элементов микросхемы, т. е. максимальное количество источников сигналов, которые могут быть подведены к логическому элементу. Увеличение коэффициента объединения по входу также расширяет логические возможности микросхемы и уменьшает их общее количество, необходимое для построения аппаратуры. Однако чрезмерное увеличение числа входов, как правило, ухудшает другие параметры микросхемы, поэтому в существующих сериях ИМС большая часть логических элементов выполняется с небольшим-числом входов.

По степени интеграции элементов микросхемы в отечественной практике предложено характеризовать коэффициентом *•=» где N — число элементов микросхемы: ИС-1 (^"{J и (10<ЛГ<100)— малые интегральные схемы, или МИС; (100
Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии. Так, возможность размещения в одном кристалле 5000 транзисторов позволила создать наручные электронно-цифровые часы. Наличие 20 000 транзисторов при таких же размерах кристалла вызвало появление микрокалькуляторов.

Анализ отказов ИМС включает рассмотрение и анализ схемотехнических вопросов, использование электрофизических, структурных, электрических методов контроля и анализа, изучение характеристик материалов, химического состава среды, элементов микросхемы и ряда других аспектов.

Характеристики конденсаторов определяются свойствами применяемых материалов. К диэлектрику конденсаторов предъявляются следующие требования: высокие — диэлектрическая проницаемость е, электрическая прочность и сопротивление изоляции, малые — температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ав и диэлектрические потери, хорошая адгезия, совместимость с технологическими процессами изготовления других элементов микросхемы.

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

К большим интегральным схемам относят микросхемы, содержащие одно или несколько функциональных устройств с общим числом элементов не менее 100, В настоящее время уже разработаны БИС, содержащие более 105 элементов. Поэтому часто для характеристики БИС используют показатель степени интеграции, количественно определяемый десятичным логарифмом от числа элементов микросхемы. Число выводов у современных БИС обычно не превышает 48.

Целью задачи размещения микроэлементов БИС является определение пространственного расположения отдельных элементов микросхемы на кристалле.

Нетрудно видеть, что любое размещение элементов микросхемы В позициях коммутационного поля кристалла является некоторой перестановкой я (к) — [я (1), я (2),..., я (i), ..., я (N)], где я (/) указывает номер позиции, в которую помещен г'-й элемент. Следовательно, общее число вариантов решения задачи размещения без учета дополнительных ограничений составляет N* = N1, и она тоже относится к классу комбинаторных задач программирования с большой трудоемкостью решения. Следовательно, для решения задачи размещения снова необходимо использовать эвристические методы.