Введение.
Современное микроэлектронное производство строится на основе концепции компьютерно-интегрированного производства. Развитие и использование математических моделей технологических процессов и создаваемых в результате их применения приборов является одной из основ данной концепции, позволяет работать с контролируемыми объектами, будь то параметры отдельной технологической операции, электрофизические параметры слоев или параметры схемотехнической модели прибора на выходе производства.
Область приборно-технологического моделирования, являющаяся неотъемлемой частью современного производства изделий микроэлектронной и микросистемной техники, представляет собой систему научных знаний и прикладных программных инструментов, позволяющих осуществлять полномасштабное моделирование технологических процессов и приборов, успешно решать широкий круг задач по разработке новых полупроводниковых приборов, оптимальных и устойчивых к разбросу параметров технологических маршрутов, повышать технологичность выпускаемых изделий и производства в целом.
Поскольку в основе используемых моделей лежит фундаментальная система уравнений, метод приборио-технологического моделирования носит универсальный характер. Однако эффективность его применения зависит от квалификации пользователя и требует проведения предварительных исследований. С одной стороны, имеется многообразие возможностей приборно-технологического моделирования как универсального инструмента, позволяющего решать целый ряд проблем проектирования -от выбора параметров отдельных операций до комплексного расчета характеристик прибора в обрамлении элементов схемы. С другой стороны, налицо множество специфических объектов моделирования и подходов к организации процесса проектирования и изготовления конечного изделия, частью которого является приборно-технологическое моделирование. Разработан ряд конкретных примеров моделирования приборов и встраивания методик использования приборно-технологического моделирования в процесс создания новых и совершенствования имеющихся изделий, т.е. решено большое количество частных задач.
Таким образом, разработка и обоснование научных подходов к проблеме эффективного и надежного использования приборно-технологического моделирования (ПТМ) в качестве метода создания и совершенствования базовых элементов микроэлектроники и микросистемной техники является актуальным направлением научно-технических исследований. Результаты таких исследований позволяют решать
широкий круг задач по разработке технологических процессов, интегральных полупроводниковых приборов, оптимальных и устойчивых к разбросу параметров технологических маршрутов, обеспечивать интерфейс между производством и дизайн-центрами, повышать технологичность выпускаемых изделий и производства в целом.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка научных основ повышения эффективности методов создания и совершенствования базовых элементов микроэлектроники и микросистемной техники и разрабатываемых конструктивно-технологических решений путем всестороннего применения систем и средств приборно-технологического моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ и классификацию базовых приборных структур, технологических процессов и маршрутов и средств приборно-технологического моделирования и выделить элементы, критичные с точки зрения повышения эффективности процессов создания и совершенствования изделий микроэлектроники и микросистемной техники;
- разработать общую концепцию повышения эффективности методов создания и совершенствования базовых элементов микроэлектроники и микросистемной техники путем использования приборно-технологического моделирования (ПТМ);
- создать методологию научного исследования и проектирования па основе ПТМ, позволяющую учитывать специфику объекта моделирования;
- разработать методики выполнения основных этапов ПТМ, включая выбор моделей, предварительную калибровку параметров, использование многофакторного эксперимента в процессе моделирования;
- практически реализовать разработанные подходы к сквозному моделированию при проектировании и изготовлении элементов микроэлектроники и микросистемной техники.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:
1. В результате проведенного анализа объектов и средств приборно-технологического моделирования выделены их основные характеристики и элементы, критичные при разработке изделий микроэлектроники и микросистемной техники. К критичным элементам, в частности, относятся:
- технологические операции формирования структуры сложного функционального состава;
- области со сложным рельефом и/или высоким градиентом распределения примеси и параметры сетки в этих областях;
- характеристики границ раздела между слоями;
- области с высокими значениями плотности тока, напряженности электрического поля, скорости генерации - рекомбинации носителей, с плавающим потенциалом, параметры сетки в этих областях, выбранные модели для описания протекающих физических эффектов и численные значения входящих в них параметров.
2. Предложена концепция использования систем приборно-технологического моделирования для повышения эффективности создания и совершенствования базовых элементов микроэлектроники и микросистемной техники, основными принципами которой являются:
- реализация преимуществ сквозного подхода к моделированию, основанного на объединении технологического, приборного и схемотехнического уровней;
- предварительный анализ моделируемого процесса или прибора, определение его основных характеристик, специфики и критичных элементов с целью построения оптимального маршрута моделирования;
- использование специально разработанной методологии приборно-технологического моделирования и методик выполнения отдельных этапов, позволяющих сократить количество пробных вариантов, долю объемных и длительных расчетов, формализовать процедуры выбора программных средств, моделей и значений параметров, использовать ранее накопленный опыт по моделированию данной технологии или конструкции прибора;
- активное внедрение методов приборно-технологического моделирования в сферу промышленного производства, охватывающее разработку конструктивно-технологических узлов, повышение технологичности изделий методами «виртуального производства», развитие интеллектуальных методов моделирования и управления технологическими процессами.
3. Разработана методология исследования и проектирования приборов и технологических процессов интегральной и микросистемной техники на основе использования средств приборно-технологического моделирования, включающая учет специфики объекта моделирования, анализ размерности объекта и разбиение на модули с целью снижения размерности и распараллеливания вычислений, разработку оптимального маршрута моделирования, а также методики выполнения основных этапов приборно-технологического моделирования в процессе создания и совершенствования разрабатываемых конструктивно-технологических решений.
4. Разработана обобщенная модель базового технологического процесса изготовления КМОП интегральных схем с проектными нормами 0.5 - 0.35 мкм и на ее основе
методология повышения технологичности изготавливаемых в данном процессе изделий; установлены закономерности, связывающие электрические параметры элементов интегральных схем с параметрами технологического процесса.
5. На основании проведенных исследований разработаны принципы интегрированного подхода к приборно-технологическому моделированию элементов и конструкций микросистемной техники, сочетающих микромеханические и интегральные конструктивно-технологические узлы, а именно, объединение принципа интеграции уровней моделирования по вертикали с горизонтальной интеграцией программных средств и моделей на приборном уровне, обеспечивающей моделирование физических эффектов, лежащих в основе преобразования энергии; на их основе предложена методика расчета и оптимизации пьезорезистивных элементов с использованием средств приборно-технологического моделирования.
6. В результате проведенного анализа предложен комплексный подход к приборно-технологическому моделированию конструкций элементов для радиационно-стойких интегральных схем. Показано, что для таких структур существенным является учет пространственного распределения конструктивно-технологических и физических параметров. Разработан метод расчета субмикронных МДП-транзисторных структур КНС- и КНИ-типа, обеспечивающий уточнение электрических характеристик, в зависимости от конструктивно-технологического способа установления контакта к областям с плавающим потенциалом.
Практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:
- Разработанный в диссертации научный подход к развитию и использованию методов приборно-технологического моделирования и разработанная методология моделирования позволяют повысить эффективность процесса приборно-технологического моделирования в целом, путем решения проблем учета специфики объекта и критичных элементов, выбора моделей и численных значений параметров, путем построения рационального маршрута моделирования и схемы использования программных средств.
Полученные научные и научно-методические результаты обеспечивают существенное снижение вычислительных затрат в процессе моделирования, повышают «выход годных» виртуальных экспериментов и делают приборно-технологическое моделирование доступным и эффективным для использования в практике инженерного проектирования.
- Практическая значимость работы подтверждается внедрением следующих результатов:
1. Разработанная модель базового технологического КМОП-процесса с проектными нормами 0.5 - 0.35 мкм использовалась при отработке технологии опытного производства НИИ Системных исследований РАН. Выполненная отработка параметров технологических операций и оптимизация конструкции КМОП-транзисторов и конструктивно-технологического узла мелкощелевой изоляции позволила сократить сроки проектирования базового технологического маршрута и количество опытных партий при аттестации технологических операций и маршрута в целом. Экономический эффект от использования результатов работы, подтвержденный актом внедрения, составил 1,372 тыс. рублей.
2. Проведена апробация разработанной методики предварительной калибровки технологических моделей базового технологического маршрута на базе производственного комплекса ОАО «Ангстрем». Применение данной методики позволит существенно сократить сроки настройки производственных мощностей предприятия на выпуск изделий, разрабатываемых на основе конкретного конструктивно-технологического решения, что подтверждается соответствующим актом.
3. Разработанная в диссертационной работе методология исследования и проектирования приборов и технологических процессов интегральной и микросистемной техники на основе использования средств приборно-технологического моделирования использовалась при проведении целого ряда научно-исследовательских работ, проводимых в МИЭТ и Технологическом центре, а также при подготовке кандидатских диссертаций: «Исследование и разработка конструктивно-технологических методов улучшения параметров силовых планарных МОП транзисторов» (Швец А.В., 2004г.), «Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных МОП-транзисторов с повышенным значением пробивного напряжения для интеллектуальных силовых интегральных схем» (Красюков А.Ю., 2005г.), «Исследование и разработка двухколлекторного латерального биполярного магниточувствительного транзистора» (Козлов А.В., 2005 г.), «Исследование и разработка методов приборно-технологического моделирования конструкций и маршрутов создания субмикронных МДП-структур» (Балашов А.Г., 2005 г.). Практическая значимость данных работ также подтверждена соответствующими актами внедрения.
4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте электронной техники. Разработанная автором методология
приборно-технологического моделирования, методики расчета различных типов интегральных элементов использованы при разработке и модернизации лекционных курсов и лабораторных практикумов по ряду учебных дисциплин, в том числе: «Моделирование технологических процессов», «Моделирование в среде ISE TCAD», «Специальные разделы микроэлектроники», «Электроника» и других, а также при написании учебного пособия «Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем», издательство БИНОМ. Лаборатория знаний.-Москва, 2005 г.
На защиту выносятся:
1. Основные научные принципы эффективного применения ПТМ как метода создания и совершенствования базовых элементов микроэлектроники и микросистемной техники:
- максимальное использование преимуществ сквозного подхода к моделированию, основанного на объединении технологического, приборного и схемотехнического уровней;
- выделение специфики моделируемого объекта и внешних воздействий на этапе предварительного исследования, что позволяет построить оптимальный маршрут моделирования;
- построение процесса моделирования на основе разработанной методологии приборно-технологического моделирования с использованием методик для выполнения отдельных этапов, позволяющих сократить количество пробных вариантов, долю объемных и длительных расчетов, формализовать процедуры выбора программных средств, моделей и значений параметров.
2. Классификация объектов приборно-технологического моделирования: технологических операций и маршрутов - по типу и функциональному составу модели; конструктивно-технологических узлов - по типу структуры, размерности задачи, характерному размеру конструктивных элементов, основному материалу конструкции.
3. Метод приборно-технологического моделирования элементов микросистемной техники, объединяющий вертикальную интеграцию уровней моделирования с горизонтальной интеграцией программных средств, позволяющей моделировать процессы преобразования энергии в устройстве.
4. Структура системы «виртуального производства», настроенная на реальный производственный процесс, и принципы организации моделирования в рамках данной системы.
5. Методика моделирования пьезорезистивных интегральных элементов, входящих в состав датчиков и устройств микросистемной техники.
6. Результаты трехмерного приборно-технологического моделирования КНИ МОП-транзисторов с топологическим способом реализации контакта к подзатворной области.
Апробация работы.
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, и ее научные положения докладывались на российских и международных конференциях, совещаниях и семинарах: II республиканская конференция "Математическое моделирование элементов и фрагментов БИС", Рига, 1990г.; Всероссийская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, Таганрог, 1994, 1995, 1997, 1998 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 95".-Зеленоград, 1995; Third European Congress on Intelligent Techniques and Soft Computing.- Aachen, Germany.-1995; Workshop on Design Methodologies for Microelectronics.-Smolenice Castle, Slovakia.- 1995; Вторая Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 97" - Москва, МИЭТ, 1997 г.; Всероссийская Научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника - 98" -Звенигород, 1998 г.; Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - XXI век" - Москва, МИЭТ, 2000 г.; Международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, Таганрог, 2002, 2004 гг.; IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002" - Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002 г.; 4-ая Международная научно-практической конференция «Вузовская наука, промышленность, международное сотрудничество», Минск, 2002; XV научно-техническая конференция «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», 2003; International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" ICMNE -2003, October 6th - 10th , 2003. - Moscow - Zvenigorod, Russia; VI International Congress on Mathematical Modeling. September 20-26, 2004, Nizhny Novgorod, Russia.
Основные публикации по теме диссертации.
Всего по тематике исследований автором опубликовано 54 работы, в том числе 26 статей, 27 тезисов докладов, учебное пособие. Основные положения диссертационного исследования полностью представлены в опубликованных работах. К основным публикациям можно отнести следующие:
Крупкина Т.Ю. Расчет характеристик МДП-транзистора с неоднородным распределением примеси в подложке. "Известия вузов MB и ССО СССР". Радиоэлектроника.-1985.-Т.28, №12.-С.31-34.
10
Баринов В.В., Крупкина Т.Ю., Радченко К.Б. Пакет прикладных программ для интерактивного моделирования МДП-структур. «Управляющие системы и машины».-1987-№5, с.89-92.
Баринов В.В., Бахмач О.Ф. Крупкина Т.Ю. Нейро-нечеткие методы в системах моделирования и адаптивного управления технологическими процессами производства СБИС. Сборник научных трудов "Научные основы разработки новых технологий и технологического оборудования производства СБИС" (под ред. проф. П.Е.Кандыбы) -Москва, 1998. С.121-132.
Баринов В.В., Бахмач О.Ф., Калинин А.В., Крупкина Т.Ю., Шелыхманов М.А. Повышение технологичности СБИС на основе концепции виртуального производства. Микроэлектроника - №4, том 28, 1999г. стр.283-292.
Артамонова Е.А., Королев М.А., Крупкииа Т.Ю., Ревелева М.А. Интегрированная среда обучения в области технологии и элементной базы микроэлектронных устройств. Вузовская наука, промышленность, международное сотрудничество. Материалы 4-й Международной научно-практической конференции. - Минск, 2002. 4.2. - С.99-103.
Крупкина Т.Ю. Использование пакета ISE TCAD при приборно-технологическом моделировании элементов микросистемной техники. Известия вузов. Электроника. 2003, №6.- С. 32-35.
Verner V.D., Balashov A.G.,Galushkov A.I., Krupkina T.Y. Simulation of vertical planar-doped-barrier MOSFET (PDBFET). VI International Congress on Mathematical Modeling. September 20-26, 2004, Nizhny Novgorod, Russia. Book of Abstracts. University of Nizhny Novgorod, 2004. C.266.
Крупкина Т.Ю. Методика анализа пьезорезистивного эффекта в элементах микросистемной техники с использованием пакета программ ISE TCAD. Микросистемная техника, 2004, №6. С.25-27, 48.
Крупкина Т.Ю. Особенности приборно-технологического моделирования транзисторных структур КНС- и КНИ-типа. Микроэлектроника.- Т.34.- 2005, №5.- С. 393-403.
Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Чаплыгин Ю.А. Приборно-технологическое моделирование при разработке изделий микроэлектроники и микросистемной техники. Известия вузов. Электроника. 2005, №4-5.- С. 64-71.
11
1 Роль и задачи приборно-технологического моделирования на современном этапе. 1.1 Основные проблемы развития методов проектирования в микроэлектронике.
С первых лет существования полупроводниковой интегральной электроники ее развитие всегда шло в направлении создания микросхем более быстрых, более надежных, с большей степенью интеграции при меньшей стоимости[1,2]. Экспоненциальный рост технологических, производственных и стоимостных показателей приводил к расширению рынка и увеличению прибыли, которая, в свою очередь, позволяла увеличивать инвестиции в научные исследования, проектирование и производство. Вложенные инвестиции приносили плоды в виде новых технологических, производственных и стоимостных улучшений. Одним из ключевых моментов в развитии микроэлектронной промышленности стал переход в производстве от заводов с традиционной архитектурой чистых помещений к заводам с миниатмосферами и кластерным оборудованием. Все это позволило перейти на практике к реализации идеи интеграции технологических процессов, обеспечивающей качественно новый уровень контроля загрязненности пластин и, соответственно, повышение выхода годных [3]. Высокая степень интеграции не только элементов на кристалле, но и технологических процессов в производстве стала характерным явлением в микроэлектронике последних лет и способствовала ее дальнейшему бурному развитию.
Прогресс в микроэлектронике во многом определил характерные черты развития цивилизации во второй половине двадцатого века и в новом тысячелетии. К таким революционным изменениям следует отнести освоение космического пространства, развитие атомной энергетики, вычислительной техники, а в последние годы, безусловно, развитие телекоммуникации и информационных технологий, коренным образом изменившие не только отдельные наукоемкие сферы деятельности человека, но и весь уклад и стиль жизни человеческого сообщества[4-6].
Современную цивилизацию не случайно часто называют технологической. В ней почти все зависит от человека, и за последние 200 лет человек создал такую мощную искусственную среду обитания, что часто сам оказывается ее заложником. В первую очередь это относится к так называемой энергетической проблеме. Потребности человечества в электрической энергии исчисляются в настоящее время триллионами киловатт в год. Производство и переработка такого количества электроэнергии сопряжены с усугублением целого ряда экологических проблем, угрожающих существованию человечества в глобальном масштабе[7]. Решение энергетической проблемы, однако,
12
становится возможным, во многом благодаря силовой электронике, революционный этап в развитии которой начался с изобретения тиристора и других мощных полупроводниковых приборов[8-10].
XXI век ознаменован появлением нового научно-технического направления, основанного, как и микроэлектроника, на кремниевой технологии, но использующего кроме планарных свойств объемные конструкционные свойства кремниевых элементов. Это направление получило название «микросистемная техника»; оно характеризуется повышенной сложностью создаваемых устройств и механизмов, а также возможностью реализации на одном кристалле исполнительного механизма и схемы его управления[11-13]. Развитие этого направления потребовало, наряду с решением многих противоречивых технических и технологических проблем, разработки новых подходов к проектированию сложных интеллектуальных устройств микросистемной техники[14-16]. Изделия микросистемной техники находят широкое применение в таких областях, как автомобильный и железнодорожный транспорт, промышленная автоматика, биотехнология, медицина, ядерная энергетика, химическая промышленность, военная техника[ 17-20].
Прогресс в области микроэлектроники всегда оценивался прежде всего степенью миниатюризации, т.е. числом элементов на кристалле. В современную эпоху сверхбольших интегральных схем это число составляет порядка десяти миллионов. Прогнозируется, что число элементов на кристалле сохранит тенденцию к удвоению каждые 18 месяцев. В этом случае к 2010 году схемы с наивысшей плотностью упаковки (например схемы памяти) будут содержать несколько миллиардов элементов, а заказные интегральные схемы - до одного миллиарда элементов на кристалле[1]. Эта тенденция частично поддерживается за счет роста размеров кристалла, но все-таки основной вклад вносит уменьшение минимальных воспроизводимых топологических размеров. Переход в производстве на проектные нормы 0.18 - 0.13 мкм позволяет говорить о промышленном переходе в область нанотехнологии и наноэлектроники[21,22].
Нанотехнологию нельзя рассматривать как просто результат продвижения в сторону уменьшения по количественной шкале минимальных воспроизводимых размеров. Нанотехнология сочетает в себе принципы работы со свойствами материалов, присущие микросистемной технике, но реализуемые уже на уровне атомов и молекул[23,24]. Это позволяет многим исследователям в этой области опираться на принципы, присущие скорее биологическим системам, чем твердотельной электронике[25-27]. Особенно это касается наноприборов, предназначенных для
13
функционирования в живых системах. Таким образом, наноэлектроника является областью еще более трансдисциплинарной, чем микросистемная техника.
Этот очень краткий 'перечень направлений, по которым развивается микроэлектроника, призван показать, насколько многообразное и сильное влияние оказывает полупроводниковая индустрия на все сферы жизнедеятельности человека.
Однако само это развитие не протекает гладко и без проблем. Существует ряд принципиальных сложностей, касающихся всех направлений развития. Одна из них связана с отводом рассеиваемой мощности[28]. Наиболее остро эта проблема стоит для высокочастотных схем сверхбольшой и ультрабольшой степени интеграции, а также для схем силовой электроники. Эффективные решения достигаются за счет непрерывных усилий по совершенствованию конструкций приборов и схемотехнических проектов, используемых материалов и технологий производства[29-31].
Качество используемых материалов также является одним из самых серьезных вопросов[32-34]. Кремний по-прежнему остается основным материалом в микроэлектронике. Приемлемый выход годных кристаллов в интегральном производстве может быть получен только в случае единичных дефектов, присутствующих в исходном материале подложки, или возникающих в процессе обработки пластины (не более одного дефекта на подложку на каждый процесс маскирования). Такие строгие требования с точки зрения дефектности приводят к необходимости усовершенствований, порождают многочисленные открытия и изобретения в таких областях как выращивание объемного кремния и эпитаксиальных слоев, развитие методов литографии, плазменной обработки, создание металлической разводки и внешних выводов.
Проблему металлизации следует выделить отдельно. Каждое улучшение характеристик элементов интегральных схем должно сопровождаться совершенствованием системы межсоединений. Без развития технологии многослойной металлизации было бы невозможно создавать микросхемы сверхбольшой и ультрабольшой степени интеграции. Приемлемые решения в этой области достигаются за счет тщательного подбора используемых материалов, совершенствования процессов, изучения свойств металлов и их сплавов (особенно для алюминия и меди), диффузионных барьеров, межслойных диэлектриков, решения проблем планаризации и надежности. Формирование и свойства силицидных слоев, создание низкоомных контактов к арсениду галлия и другим материалам этой группы, замена алюминиевых проводников медными в новых поколениях интегральных микросхем являются предметом интенсивных исследований и многочисленных публикаций[35-39].
14
Целая группа общих для всех направлений проблем связана с экономическими показателями развития. Переход в область глубоко субмикронных размеров стал возможен только благодаря достижению соответствующего уровня выпускаемого технологического оборудования. Уникальные технологические установки, объединенные в единую автоматизированную производственную линию с гибкой системой адаптации и управления, составляют основу современного компьютерно-интегрированного производства[40-42]. Однако оценки показывают, что стоимость типичной технологической линейки в ближайшем будущем может достичь 10 миллиардов долларов. Соответственно, количество таких фабрик возможно будет ограничено и составит не более пяти - десяти во всем мире.
Разрыв между растущей сложностью изделий и технологии, с одной стороны, и приемлемым уровнем затрат на разработку и производство, с другой стороны, продолжает увеличиваться, что может сказаться на темпах роста мировой полупроводниковой промышленности. Период безоблачного развития микроэлектроники возможно закончится с переходом в область наноразмеров[43]. «Узким» местом становится сфера проектирования. Показателен тот факт, что в настоящее время дизайнеры - схемотехники уже не успевают осваивать все новые уровни минимально допустимых размеров в том же темпе, в каком это делают технологи и изготовители технологического оборудования.
Современный рынок микроэлектроники выдвигает очень жесткие требования к проектам ИС с точки зрения технологичности, тестируемости и таких ключевых аспектов как размер кристалла, потребляемая мощность, выход годных и стоимость. Интегральную или сравнительную оценку любого проекта несомненно нельзя делать без учета его стоимостных характеристик. Проблема заключается в том, что проекты могут существенно различаться по размерам кристалла и степени интеграции. В этом случае их можно эффективно сравнивать, если оперировать показателями затрат, приходящихся на один транзистор в полностью функционирующей интегральной схеме. В выполненной таким способом оценке можно учесть стоимость изготовления, тестирования и проектирования одновременно.
Можно вывести показатель, характеризующий эффективность самого процесса проектирования, его методологии - плотность проекта dd. Этот показатель есть величина, обратная числу квадратов минимальных размеров, необходимых в данном проекте для прорисовки одного транзистора. Показатель плотности проекта является более информативной величиной для оценки стиля проектирования и его качества, чем обычный показатель плотности размещения транзисторов на кристалле, т. к. в этом случае мы абстрагируемся от конкретного уровня технологии и конкретных проектных норм.
15
Оценки показывают, что в реальных изделиях показатели плотности проекта сильно различаются[43]. Прежде всего, это зависит от типа изделия. Например, для схем памяти dd может составлять около 1/30, а для некоторых схем специального назначения — до 1/1000. Анализ изделий, выпускаемых основными фирмами - производителями микропроцессоров, показывает, что в настоящее время проекты микропроцессорных СБИС имеют тенденцию к уменьшению плотности проектирования. Одним из объяснений, конечно, является увеличение с ростом числа уровней металла площади, приходящейся на межсоединения. Сокращение времени на разработку, диктуемое условиями на рынке микроэлектронных изделий также существенно влияет на качество проектирования. Временные показатели выхода изделия на рынок становятся чрезвычайно важными, т. к. жизненный цикл изделий микроэлектроники постоянно сокращается. Что же определяет качество проектирования интегральных схем и длительность этого процесса?
В самом начале развития интегральной схемотехники основными проектировщиками были специалисты в области физики твердого тела. Именно они определяли характеристики создаваемых в подложке областей и настраивали параметры процесса, чтобы получить на выходе ожидаемую функцию от нескольких приборов, изготовленных вместе на одном кристалле. Существующее в настоящее время полное разделение между проектированием схемы и обработкой пластин пришло позже. Это разделение явилось, безусловно, оправданным. Оно открыло путь, с одной стороны, к развитию методологии проектирования стандартных технологических процессов, обеспечивающих высокие показатели выхода годных, и, с другой стороны, к быстрому развитию науки схемотехнического проектирования интегральных схем.
Стандартизация в области технологии изготовления интегральных микросхем явилась основой не только для введения системы обеспечения качества обработки пластин, но и для развития концепции компьютерно-интегрированного производства. Связующим звеном в этой цепи стала стандартная система спецификаций на технологический процесс, включающая 4 типа информации[44]:
- спецификация на оборудование;
- спецификация на элементарные операции;
- спецификация на последовательность операций и/или последовательностей;
- спецификация на подложку.
Таким образом, в рамках компьютерно-интегрированного производства полностью автоматизирован учет и обработка информации о технологическом процессе, его номинальных параметрах, текущем состоянии переменных, состоянии каждой пластины,
16
запущенной в производство. Такой подход позволяет развивать микроэлектронное производство и его технологию, базируясь на научных принципах и широко используя методы математического моделирования.
Внутри схемотехнического проектирования сформировались также отдельные области, независимые с точки зрения методологии и инструментов проектирования. Такими областями являются цифровой и аналоговый дизайн, и их разделение было вызвано как исторически сложившимися условиями, так и сложностью и специфичностью задач, решаемых в каждой отдельной области. Тем не менее, в последнее время проектировщикам все чаще приходится использовать интегрированные подходы. В первую очередь это связано переходом во многих случаях к созданию проектов в виде систем-на-кристалле (СНК) [45-48]. Сегодня возможно уже разместить целую систему на одном кристалле, содержащем миллионы транзисторов. Если предположить, что инженер в состоянии проектировать и верифицировать 100 вентилей в день, разработка подобного кристалла заняла бы 500 человеко-лет и стоила бы примерно 75 млн. долларов[49]. Несмотря на рост сложности кристаллов, время на их разработку продолжает сокращаться благодаря аппаратным и программным средствам компьютерного проектирования.
Стоимость и конкуренция вынуждают смещаться в сторону быстродействующих субмикронных технологий, чтобы соответствовать требованиям по цене и параметрам. В то же самое время давление мирового рынка требует такого подхода, который позволяет «вписывать» новые системные кристаллы в новейшие технологические процессы за все меньшее время. Под давлением рынка также значительно возросла производительность проектировщиков. Стремление создать экономически эффективное изделие подталкивает проектировщиков к использованию в кремнии различных стандартизованных кристаллов. Для сохранения постоянного роста степени интеграции реальным практическим методом является повторное использование проектов и получение выигрыша от прежних проектных работ.
Идея о повторном использовании проектов в виде ядер, макросов и библиотек для создания новых кристаллов по более совершенным технологиям не нова. Такой переход осуществлялся путем «сжатия» существующей топологии по новым проектным нормам. Общей целью было достижение способности проводить разработку проекта, реализованного по одной технологии, в рамках более совершенного технологического процесса за счет простого линейного сжатия. Однако, если сжатие относится к маске (шаблону), требуется ручная подгонка проекта. Эта работа может быть сведена к минимуму путем иерархической структуризации топологической информации. При
17

Получить работу