Базовые матричные кристаллы
Базовый матричный кристалл (БМК) – матрица нескоммутированных элементов, электрические связи между которыми формируются в соответствии с назначением микросхемы на этапе формирования разводки.
Базовый матричный кристалл содержит сформированную заранее матрицу базовых ячеек, расположенную в центральной части, и группу буферных ячеек (ячеек интерфейса – ввода-вывода), расположенных по периферии кристалла. Ячейка БМК– группа нескоммутированных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) и отрезков полупроводниковых шин, используемых для реализации пересекающихся электрических связей.
Из элементов ячеек с помощью электрических связей в виде металлических (проводниковых) и полупроводниковых шин формируются различные функциональные элементы (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры и др.), буферные элементы и соединения между ними.
В матричных БИС основные функциональные элементы работают, как правило, в режиме малого потребления энергии, обеспечивающем необходимое быстродействие. Буферные элементы, предназначенные для осуществления внешних связей матричной БИС, потребляют повышенную мощность, что необходимо для согласования по уровням логического напряжения, нагрузочной способности и помехоустойчивости.
Для упрощения процесса проектирования и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко используются библиотеки функциональных элементов. Топология функционального элемента в виде фрагмента БИС с унифицированными размерами разрабатывается на основе элементов одной или нескольких рядом расположенных ячеек. Вся информация о топологии фрагментов хранится в базе данных системы автоматизированного проектирования.
На основе БМК могут быть выполнены цифровые, аналоговые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые БИС. Набор элементов ячеек БМК, предназначенных для изготовления аналоговых БИС, позволяет формировать усилители, компараторы, аналоговые ключи и другие устройства. В состав ячеек входит большое число разнообразных активных и пассивных элементов, например n-р-n- и р-n-р- транзисторы, резисторы с большим диапазоном номиналов, конденсаторы. К параметрам пассивных элементов обычно предъявляется требование достаточно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для изготовления аналого-цифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек: для формирования, соответственно, аналоговых и цифровых устройств.
Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналоговых БИС строятся на основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. Более широкое применение в аналоговых БИС получили биполярные транзисторы с высокой крутизной проходной вольт-амперной характеристики.
Матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В БМК, предназначенных для реализации цифровых БИС с невысокой степенью интеграции (около 1000 логических элементов), используются однородные ячейки, для цифровых БИС с высокой степенью интеграции (около 10000 логических элементов) и цифро-аналоговых БИС – матрицы с неоднородными ячейками.
Применяются два способа организации ячеек матрицы БМК:
1) на основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый логический элемент, выполняющий элементарную функцию, – НЕ, И‑НЕ, ИЛИ-НЕ с разветвлениями по входам (ЭСЛ, ТТЛ, n-МОП, КМОП) или выходам (И2Л). Для реализации более сложных функций используется несколько ячеек. Число, разновидности и параметры элементов определяются электрической схемой базового логического элемента;
2) на основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный элемент библиотеки. Типы элементов и их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.
При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в составе матрицы, коэффициент использования площади БМК и соответственно повышенную степень интеграции БИС. Для трассировки соединительных проводников требуется мощная система автоматизированного проектирования.
При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автоматизированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональных элементов библиотеки с низким коэффициентом использования элементов ячейки, снижаются коэффициент использования площади кристалла и степень интеграции БИС.
В матричных БИС электрические соединения выполняются с помощью металлических (проводниковых) и полупроводниковых (моно- и поликристаллических) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, характеризующегося низким удельным сопротивлением. Легированные полупроводниковые шины, имеющие повышенное удельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сигнальных цепей.
Для создания электрических связей между элементами используется одно- и многоуровневая металлизация. Большой практический интерес представляют конструкции матричных БИС с одним заказным уровнем металлизации. В этом случае существенно упрощается технология проектирования и изготовления матричных БИС. Существуют две разновидности конструкций кристаллов-полуфабрикатов, элементы которых покрыты двухслойной системой оксид–металл или только слоем оксида.
В конструкциях первого вида в слое защитного оксида вытравлены отверстия ко всем внутренним контактам, с помощью которых осуществляется электрическое соединение элементов ячеек матриц при формировании функциональных элементов и соединение последних для реализации заказной БИС. Пластина с кристаллами полностью покрывается слоем металла. Требуемый рисунок межэлементных соединений формируется с помощью лишь одного заказного фотошаблона. Лишний металл удаляется с тех участков поверхности кристаллов, на которых не должно быть никаких соединений. Так как все области контактов вскрыты с помощью окон в оксиде, то нельзя проводить связи в областях свободных (неиспользуемых) контактов. В конструкции БМК необходимо предусматривать поля, свободные от контактов, для прокладки трасс электрических связей. Это ограничение не позволяет получить высокую плотность компоновки элементов на кристалле.
В конструкциях второго вида с помощью первого заказного фотошаблона вскрываются окна в оксиде только к используемым контактам. Затем пластина-полуфабрикат покрывается слоем металла, и с помощью второго заказного фотошаблона формируются электрические связи. В этом случае может быть достигнута более высокая плотность компоновки элементов и упрощается трассировка межсоединений, так как трассы межсоединений могут проходить над областями неиспользуемых контактов, покрытых слоем защитного оксида.
В БИС высокой степени интеграции (десятки тысяч элементов) используется двух- и трехуровневая металлизация. В качестве межуровневого диэлектрика применяются пленки диоксида кремния. Проектирование и изготовление таких БИС усложняется. Например, при двухуровневой металлизации требуются четыре заказных фотошаблона для формирования окон в первом слое оксида, покрывающем элементы, первого слоя проводников, окон во втором слое оксида и второго слоя проводников.
Для проводников, реализующих межфрагментные электрические связи, на поле кристалла между ячейками матрицы выделяются свободные полосы – каналы (в кристаллах на биполярных приборах обычно это система ортогональных полос, в кристаллах на МОП-приборах – система компланарных полос). Пропускная способность канала составляет 5-15 проводников. В пределах каналов располагаются также перемычки – полупроводниковые элементы “подныривания” – для реализации пересечений ортогональных проводников. Для упрощения реализации коммутационной сети входы и выходы логических элементов или функциональных узлов, формируемых из элементов ячеек, располагаются по периферии ячеек, обращенной к каналу связи. Это упрощает автоматизированное проектирование БИС, однако коэффициент использования площади кристалла снижается.
С целью повышения плотности компоновки БИС на биполярных транзисторах матрица БМК может быть выполнена в виде сплошного массива ячеек, в состав которых входят элементы и перемычки. Горизонтальные трассы проходят в областях расположения групп пассивных элементов (резисторов), находящихся под защитной оксидной пленкой, вертикальные трассы – во втором (верхнем) слое над элементами ячеек. Дополнительные вертикальные трассы образуются за счет неиспользованных ячеек. В качестве перемычек используются короткие отрезки высоколегированных моно- и поликремниевых шин с контактными областями, а также полупроводниковые области активных элементов.
Набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым параметрам и характеристикам БМК относятся: технология изготовления; число ячеек на кристалле; структура (набор элементов) ячейки; наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элементов ячеек; параметры элементов ввода-вывода; число периферийных контактных площадок; требования к источнику питания; указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления; число заказных фотошаблонов и конструктивно-технологические ограничения, накладываемые при проектировании и выполнении заключительных технологических операций.