Реферат: Сверхбольшие интегральные схемы

Реферат: Сверхбольшие интегральные схемы

Содержание

1. ВВЕДЕНИЕ ……………………………..…………………………………….2

2. n-МОП СБИС ТЕХНОЛОГИЯ…………………………………………… .4

           2.1Основы технологии производства n-МОПСБИС……………………4

           2.2Этапы технологического процесса….………………………………. 5

3. СБИС ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКИ (ПЛ.)………………………  .7

4. МИКРОПРОЦЕССОРЫ……………………………………………………12

5. МАТРИЧНЫЕ МИКРОПРОЦЕССОРЫ ………...……………………. .17

5.1 Матричные микропроцессоры………………………..……………...17

5.2 Транзисторные матрицы………………………………..…………….17

5.3 Матричные процессоры…………………………………..…………..20

5.4 Автоматизация проектирования

цифровых СБИС на базе матриц Вайнбергера и транзисторных

матриц………………………………………………………………….…..21

6. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБИС  ………….26

6.1 Основные типы БМК………………………..…………………….….28

6.2 Реализация логических элементов на БМК…..………………….….30

6.3 Системы автоматизированного проектирования матричных бис, постановка задачи проектирования……………………………………...31

6.4 Основные этапы проектирования…………………..………………..33

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………... ...35

8. СПИСОК ИСПЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………37              

1. ВВЕДЕНИЕ

С момента появления первых полупроводниковых микросхем (начало 60-х годов) микроэлектроника прошла путь от простейших логических элементов до сложных цифровых устройств, изготавливаемых на одном полупроводниковом монокристалле площадью около 1 см2. Для обозначения микросхем со степенью интеграции выше 104 элементов на кристалле в конце 70-х годов появился термин "сверхбольшие интегральные схемы" (СБИС). Уже через несколько лет развитие этих микросхем стало генеральным направлением в микроэлектронике.

В начале своего развития электронная промышленность представляла собой отрасль техники, целиком основанную на операциях сборки, и позволяла реализовать весьма сложные функции путем объединения множества элементов в одном изделии. При этом значительная часть прироста стоимости изделий была связана с процессом сборки. Основными этапами этого процесса являлись этапы проектирования, выполнения и проверки соединений между электронными компонентами. Функции и размеры устройств, которые могли быть реализованы на практике, ограничивались количеством используемые компонентов, их физическими размерами и надежностью.

Исторически сложилось так, что первоначально внимание к ИС привлекли такие их особенности, как малые размеры и масса, а затем развитие техники ИС, позволяющей скомпоновать на поверхности кристалла значительное количество элементов, включая меж соединения, постепенно привело к возможности создания СБИС. Т.о. стало возможным не только "повышение экономичности" электронных схем, но и улучшение их характеристик с одновременным повышением надежности. Развитие техники и технологии СБИС обусловило весьма существенные вменения в специфике электронной промышленности, заключающееся в совершенствовании процесса изготовления ИС и методов их проектирования. Типичным фактором первой группы является совершенствование микро технологии. Уменьшение размеров полупроводниковых приборов позволяет одновременно добиться как улучшения характеристик ИС, формально определяемых законом пропорциональности размеров, так и улучшения их экономических (материальных и энергетических) показателей, связанных с уменьшением площади кристалла.

Исторически первым полупроводниковым материалом, использованным на ранних стадиях разработки полупроводниковых приборов, был германий. Совершенствование германиевой технологии сделало возможным создание ряда приборов, включая германиевые точечные и сплавные транзисторы. Однако вскоре германий был заменен кремнием, обладающим таким важным свойством, как возможность получения в окислительной среде тонкого, прочного и влагонепроницаемого диэлектрического слоя аморфной двуокиси кремния (SiO2).

В 60-х годах наибольшее распространение получили ИС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975 г. на рынке превалируют цифровые ИС на основе МОП-структур. Преимущества ИС на основе МОП-структур:

Миниатюризация.

Низкое потребление мощности.

Высокий процент выхода.

Высокое быстродействие.

Высокий уровень технологичности.

В технологии СБИС степень интеграции превышает 215 элементов на кристалл. Уровень миниатюризации, который был использован при производстве процессора Intel Pentium в 1993 году, составлял 0,8 мкм, сейчас используются транзисторы с длиной канала 0,18 мкм, а в перспективе - разработка устройств с длиной канала в 0,13 мкм, что в плотную приближается к пределу физических ограничений на работу такого рода транзисторов.

Технология создания и получения сверхбольших интегральных схем с минимальными размерами в глубокой субмикронной области (0,25- 0,5 мкм к 2000 году) и наноэлектроника (полупроводниковые приборы с размерами рабочих областей до 100 нм к 2010 году) включают следующие основных направления:

технологию сверхбольших кремниевых схем с минимальными размерами в           глубокой субмикронной области;

технологию сверхскоростных гетеропереходных приборов и интегральных схем на основе арсенида галлия, германия на кремнии и других соединений;

технологию получения наноразмерных приборов, включая нанолитографию.

При реализации этих направлений предусматривается создание сверхчистых монокристаллических полупроводниковых материалов и технологических реагентов, включая газы и жидкости; обеспечение сверх чистых производственных условий (по классу 0,1 и выше) в зонах обработки и транспорта пластин; разработка технологических операций и создание комплекса оборудования на новых физических принципах, в том числе кластерного типа, с автоматизированным контролем процессов, обеспечивающим заданную прецизионность обработки и низкий уровень загрязнения, а также высокую производительность процессов и воспроизводимость результатов, качество и надежность электронных элементов.

Технология сверхбольших интегральных схем обеспечивает разработку и промышленное освоение выпуска широкой номенклатуры интегральных схем, составляющих элементную базу высокопроизводительных ЭВМ, специализированной и бытовой радиоэлектронной аппаратуры, средств связи и телекоммуникаций, в том числе космического базирования. При данной технологии возможные минимальные рабочие размеры составляют 0,1-0,5 мкм и менее (до 70 нм к 2010 году), достигаются высокая производительность за счет использования пластин большого диаметра (200 и более мм) и полной автоматизации процессов, значительный процент выхода годных электронных приборов и высокая окупаемость вкладываемых в производство средств.

Кремниевая технология является основой создания элементной базы радиоэлектроники, вычислительной техники и средств автоматизации и связи широкого применения. Технология гетеропереходных интегральных схем благодаря высокому быстродействию этих приборов ориентирована на специализированные сверхскоростные применения, включая космическую технику, элементную базу суперкомпьютеров, технику связи и телекоммуникаций, а также специальную аппаратуру оборонного назначения.

Нанотехнология станет промышленной приблизительно начиная с 2010 года, что откроет перспективу создания принципиально нового поколения приборов и интегральных схем на новых физических эффектах и приведет в дальнейшем к коренным преобразованиям во многих областях деятельности, в первую очередь - в науке, образовании, управлении производством, в том числе при создании микро роботов, персональных средств связи, глобальных телекоммуникаций, вычислительных устройств на нейросетевых принципах.

2. n-МОП СБИС ТЕХНОЛОГИЯ

2.1 Основы технологии производства n-МОП СБИС

Транзистор на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник (МОП) является одним из наиболее широко используемых элементов СБИС. Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960 году. Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве подзатворного диэлектрика формировались на подложке n- типа проводимости. Затем из-за большей подвижности электронов, чем у дырок при формировании сверхбольших быстродействующих интегральных схем стали использовать n- канальные транзисторы, формируемые на p- подложке.

Рассмотрим основные технологические этапы производства n-МОП СБИС на примере создания логического вентиля И-НЕ с двумя входами.

Принципиальная схема вентиля (инвертора) приведена на рисунке.

Схема состоит из последовательно соединенных двух транзисторов, работающих в режиме обогащения (нормально закрытых) и одного транзистора, работающего в режиме обеднения (нормально открытый). Все транзисторы располагаются между шиной источника питания Vdd и заземляющей шиной Vss. Затворы первых двух транзисторов служат входами схемы, а затвор третьего транзистора, соединенный с истоком второго, является выходом инвертора.

Нормально открытый транзистор служит источником тока для двух остальных. Выходное напряжение имеет низкое значение (логический нуль) только в том случае, когда оба первых транзистора открыты, т.е. на их затворы подан высокий потенциал - логическая единица.

Подложка. В качестве подложки выбирают кремний p- типа проводимости легированный бором КДБ (100) с концентрацией примеси 1015 - 1016см-3. Выбор такой концентрации обусловлен несколькими причинами. С одной стороны уменьшение содержания примеси приводит к снижению чувствительности порогового напряжения к напряжению смещения на подложке и уменьшению емкости p-n переходов, приводя к увеличению быстродействия транзистора. С другой стороны возрастает концентрация неосновных носителей, вызывающих рост тока утечки через обратно смещенный p-n переход, что может привести к соприкосновению областей пространственного заряда стока и истока транзистора (прокол). Одним из вариантов решения этого противоречия является выращивание слаболегированных эпитаксиальных кремниевых слоев на сильнолегированной подложке, имеющей малую концентрацию неосновных носителей.

Ориентация кремниевой подложки (100) имеет преимущество по сравнению с (111), заключающееся с более высокой подвижности электронов, обусловленной низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик.

2.2 Этапы технологического процесса.

1 этап.

Ионная имплантация бора для создания изоляции между транзисторами с помощью p-n переходов.

На поверхность кремниевой подложки наносятся промежуточный слой термической двуокиси кремния и  слой нитрида кремния, играющий роль маски при последующем локальном окислении кремния. Далее с помощью процесса литографии на поверхности вытравливаются окна, в которые осуществляется ионная имплантация бора. Иногда имплантацию осуществляют через слой окисла для уменьшения концентрации примеси в подложке и глубины ее проникновения.

2 этап.

На этом этапе проводятся следующие технологические операции:

- локальное окисление кремния (ЛОКОС процесс);

- формирование подзатворного окисла (после удаления промежуточных  

  слоев двуокиси и нитрида кремния);          

- имплантация бора для регулировки порогового напряжения нормально

       закрытых транзисторов;        -

- формирование окна под скрытый контакт.

3 этап.

На данном этапе проводится ионная имплантация мышьяка для формирования канала нормально открытого транзистора. Использование мышьяка вместо фосфора обусловлено меньшей его глубиной в полупроводниковую подложку.

4 этап.

Проводится нанесение поликристаллического кремния с его последующим легированием мышьяком. Поликремний выполняет роль будущих затворов, предотвращает p- каналы от дальнейшей перекомпенсации акцепторной примеси мышьяком и служит материалом для последующего соединения стока и затвора нормально открытого транзистора. На этом этапе достигается самосовмещение стоков, истоков и затворов.

5 этап.

Заключительный этап формирования схемы. На нем осуществляются:
- литография под металлизацию к стокам и истокам транзисторов
- нанесение фосфор силикатного стекла (ФСС). ФСС предотвращает    диффузию ионов натрия, сглаживает рельеф поверхности, производит дополнительную активацию примеси.
- формируется пассивирующий диэлектрический слой (окисел или плазмохимический нитрид кремния)

3. СБИС программируемой логики (ПЛ.)

Отечественным производителям электронной техники трудно конкурировать с зарубежными фирмами в области массового производства товаров широкого потребления. Однако в области разработки и создания сложной наукоемкой продукции в России сохранились условия, кадры, научный потенциал. Большое число предприятий и учреждений способно разрабатывать уникальные электронные устройства. Высокотехнологичным "сырьем" для таких разработок в области цифровой электроники служат легко доступные на отечественном рынке электронные компоненты: микропроцессоры, контроллеры, СБИС памяти и др. - все, что позволяет решать задачи специальной обработки сигналов и вычислений программным путем (со свойственными программной реализации достоинствами и недостатками). Микропроцессорная техника давно и прочно укоренилась в отечественных разработках. Однако в последние годы появилась новая элементная база - СБИС программируемой логики (programmable logic device - PLD), которая, удачно дополняя и заменяя микропроцессорные средства, в ближайшие годы станет "настольным материалом" для разработчиков. СБИС ПЛ оказываются вне конкуренции в областях, где требуется создание высокопроизводительных специализированных устройств, ориентированных на аппаратную реализацию. Аппаратное решение задач обеспечивает распараллеливание процесса обработки и увеличивает производительность в десятки раз по сравнению с программным решением, а использование СБИС ПЛ, в отличие от специализированных СБИС, обеспечивает такую же гибкость реализации, как у любых программных решений. В последние годы динамика развития и производства СБИС ПЛ. уступает только микросхемам памяти и превышает 50% в год.

СБИС ПЛ представляют собой полузаказную СБИС и включают реализованные на кристалле универсальные настраиваемые пользователем функциональные преобразователи и программируемые связи между этими преобразователями. По сравнению с базовыми матричными кристаллами (БМК) использование СБИС ПЛ обеспечивает существенно более короткий цикл разработки, экономический выигрыш при мелкосерийном (до нескольких тысяч изделий) производстве и возможность внесения изменений в проект на любом этапе разработки. Заказную СБИС или БМК разработают для Вашего уникального проекта за несколько месяцев. Но только на СБИС ПЛ Вы запрограммируете его сами за кратчайшее время и с минимальными затратами. Разработчик специализированного цифрового устройства, используя средства САПР СБИС ПЛ, в привычной ему форме (схемы, текстовое описание) задает требуемое устройство и получает программирующий СБИС ПЛ файл, который используется при программировании на программаторе или непосредственно на плате. Программирование заключается в задании нужных свойств функциональным преобразователям и установлении необходимых связей между ними. Программируемые элементы - электронные ключи. Такой цикл проектирования/изготовления занимает незначительное время, изменения могут вноситься на любой стадии разработки за считанные минуты, а внедрение новых средств проектирования на начальном этапе практически не требует материальных затрат.

Производители, архитектура и возможности существующих в настоящее время типов СБИС ПЛ разнообразны. Систематизация микросхем гибкой логики производится обычно по следующим классификационным признакам:

степень интеграции (логическая емкость);

архитектура функционального преобразователя;

организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей;

тип используемого программируемого элемента;

наличие внутренней оперативной памяти.

Степень интеграции (логическая емкость) - наиболее важная характеристика СБИС ПЛ, по которой осуществляется выбор. Производители СБИС ПЛ стоят на передовых рубежах электронной технологии (текущая рабочая проектная норма составляет 0,25 мкм), и число транзисторов в СБИС ПЛ большой емкости составляет десятки миллионов. Но ввиду избыточности структур, включающих большое число коммутирующих транзисторов, логическую емкость измеряют в эквивалентных логических вентилях типа 2И-НЕ (2ИЛИ-НЕ), которые понадобилось бы для реализации устройств той же сложности, что и на соответствующих СБИС.

 Основные производители СБИС ПЛ - фирмы Altera (34% мирового объема продаж), Xilinx (33%), Actel (9%). Максимальная логическая емкость достигнута в настоящее время в СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Altera (семейства FLEX10K), и составляет 250000 логических вентилей, а к концу 1998 г. достигнет 1 миллиона (количественные данные приведены по состоянию на 01.06.98 г.).

Функциональные преобразователи СБИС ПЛ включают в себя настраиваемые средства реализации логических функций и триггер (т.е. являются простым конечным автоматом). Наиболее часто логические функции реализуются в виде суммы логических произведений (sum of product) либо на шестнадцатибитных ПЗУ (таблицы перекодировки). СБИС ПЛ с функциональными преобразователями на базе сумм термов, позволяют проще реализовывать сложные логические функции, а на базе таблиц перекодировки создавать насыщенные триггерами устройства.

Организация внутренней структуры СБИС и структуры матрицы соединений функциональных преобразователей - основной отличительный признак различных СБИС ПЛ. На рис.3 показано разделение наиболее популярных СБИС ПЛ по этим признакам.

Большинство фирм выпускает сложные СБИС ПЛ, располагая функциональные преобразователи в горизонтальных рядах и вертикальных столбцах в виде квадратной матрицы на площади кристалла, тогда как связи между преобразователями выполняются в виде проводников, разделенных на отдельные участки (сегменты) электронными ключами. Такая одноуровневая структура получила название FPGA (Field Programmable Gate Array). Иерархическая (многоуровневая) организация СБИС ПЛ позволяет улучшить их технические характеристики. При многоуровневой организации функциональные преобразователи группируются в блоки (например, в СБИС семейств FLEX10K фирмы Altera в логический блок входит 8 функциональных преобразователей), имеющие свою собственную локальную шину межсоединений. Блоки обмениваются сигналами друг с другом через шины межсоединений верхнего уровня. Структура такого типа показана на рис.4. Проводники межсоединений изготавливаются непрерывными (т.е. без разделения на сегменты электронными ключами), что обеспечивает малые задержки распространения сигналов и позволяет существенно сократить количество электронных ключей. Кроме того, непрерывные линии межсоединений обеспечивают возможность взаимной замены логических блоков без изменения временной модели устройства, что существенно ускоряет процедуру размещения проекта на кристалле и упрощает временное моделирование.

Тип используемого программируемого элемента - электронного ключа, определяет возможности СБИС ПЛ. по программированию, перепрограммированию и хранению конфигурации при отключении питания. Наиболее перспективны программируемые элементы, выполненные по EEPROM и FLASH технологии (полевые транзисторы с плавающим затвором), обеспечивающие энергонезависимое хранение конфигурации и многократное перепрограммирование (в том числе и распаянной микросхемы непосредственно на плате), и элементы, выполненные по SRAM технологии, т.е. представляющие собой электронный ключ и триггер оперативной памяти, в который при включении питания должна быть записана конфигурирующая информация. SRAM - технология обеспечивает меньшее энергопотребление и позволяет реконфигурировать СБИС ПЛ за десятки миллисекунд, обеспечивая исходную загрузку конфигурирующей памяти и, при необходимости, реконфигурирование <налету> для адаптации структуры реализуемого устройства. Особое место занимает ряд семейств СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Actel и имеющих программируемые элементы - antifuse, представляющие собой pn - переходы, пробиваемые при программировании. Эти СБИС ПЛ имеют высокую стойкость к хранению конфигурации при спецвоздействиях, но не получили широкого распространения в силу их высокой стоимости и однократности программирования.

Наличие внутренней оперативной памяти дает пользователю СБИС ПЛ. дополнительные возможности при разработке цифровых систем. СБИС ПЛ. с внутренней памятью выпускаются фирмами Altera (семейства FLEX10K), Atmel (семейство AT40K), Xilinx (семейства XC4000). Организация внутренней памяти в СБИС ПЛ различных производителей различна. В семействе FLEX10K фирмы Altera - это крупные выделенные модули памяти объемом 2 Кбит, в СБИС других производителей - распределенные по кристаллу небольшие блоки. Например, в СБИС фирмы Xilinx - теневые ОЗУ таблиц перекодировки объемом 32 бита, в СБИС ПЛ фирмы Atmel - расположенные в узлах матрицы межсоединений блоки памяти объемом 32х4 бита.

Возможности СБИС ПЛ чрезвычайно широки и удовлетворяют различным требованиям разработчиков цифровых устройств. На рис.8 показаны семейства СБИС ПЛ, выпускаемых фирмой Altera - лидером в производстве СБИС ПЛ. Семейства FLEX (SRAM технология конфигурирующих элементов) выпускаются в корпусах с числом выводов до 600, требуют загрузки конфигурации каждый раз при включении питания или при необходимости внесения изменений в функционирование СБИС, но обладают существенно большей логической емкостью по сравнению с энергонезависимыми семействами MAX и меньшим энергопотреблением на функциональный преобразователь. Семейства MAX могут обеспечить задержку сигнала до 5 нс., в то время как у семейств FLEX эта задержка не менее 8 нс. Наиболее перспективными семействами СБИС ПЛ фирмы Altera являются FLEX10K, FLEX6000, МАХ7000S,A.

4. МИКРОПРОЦЕССОРЫ

По числу больших интегральных схем (БИС) в микропроцессорном комплекте различают микропроцессоры однокристальные, многокристальные и многокристальные секционные.

Процессоры даже самых простых ЭВМ имеют сложную функциональную структуру, содержат большое количество электронных элементов и множество разветвленных связей. Изменять структуру процессора необходимо так, чтобы полная принципиальная схема или ее части имели количество элементов и связей, совместимое с возможностями БИС. При этом микропроцессоры приобретают внутреннюю магистральную архитектуру, т. е. в них к единой внутренней информационной магистрали подключаются все функциональные основные блоки (арифметико-логический, рабочих регистров, стека, прерываний, интерфейса, управления и синхронизации и др.).

Для обоснования классификации микропроцессоров по числу БИС надо распределить все аппаратные блоки процессора между основными тремя функциональными частями: операционной, управляющей и интерфейсной. Сложность операционной и управляющей частей процессора определяется их разрядностью, системой команд и требованиями к системе прерываний; сложность интерфейсной части разрядностью и возможностями подключения других устройств ЭВМ (памяти, внешних устройств, датчиков и исполнительных механизмов и др.). Интерфейс процессора содержит несколько десятков информационных шин данных (ШД), адресов (ША) и управления (ШУ).

Однокристальные микропроцессоры получаются при реализации всех аппаратных средств процессора в виде одной БИС или СБИС (сверхбольшой интегральной схемы). По мере увеличения степени интеграции элементов в кристалле и числа выводов корпуса параметры однокристальных микропроцессоров улучшаются. Однако возможности однокристальных микропроцессоров ограничены аппаратными ресурсами кристалла и корпуса. Для получения многокристального микропроцессора необходимо провести разбиение его логической структуры на функционально законченные части и реализовать их в виде БИС (СБИС). Функциональная законченность БИС многокристального микропроцессора означает, что его части выполняют заранее определенные функции и могут работать автономно.

Страницы: 1, 2, 3