Modul_5._Uklady_scalone.pdf

Układy scalone

Wstęp

1. Skalowanie tranzystora MOS

1.1. Wymiary tranzystora MOS

1.2. Reguły skalowania tranzystora MOS

2. Projektowanie i wytwarzanie układu scalonego

2.1. Topograﬁaukładuscalonego

2.2. Reguły projektowania

2.3. Zasady projektowania

2.4. Wytwarzanie układu scalonego

3. Szybkość działania układów scalonych

3.1. Opóźnienia

3.2. Zwiększanie szybkości pracy układów

Podsumowanie

Bibliograﬁa

„Człowiek jest nadal najbardziej niezwykłym

komputerem.”

John F. Kennedy, maj 1963

Wstęp

W module tym chciałbym, abyśmy przyjrzeli się temu, co najważniejsze w mikro-

elektronice, a więcej układom scalonym. Do tej pory poznałeś zasady projektowa-

nia układów cyfrowych. Co więcej, dowiedziałeś się jak wykonać pojedynczy tran-

zystor oraz komórkę inwertera CMOS.

W niniejszym module zajmiemy się właśnie tym, jak zaprojektować i wykonać

układ złożony z wielu tranzystorów. Umieszczenie takiej liczby elementów wyma-

ga, aby były one jak najmniejsze, dlatego moduł rozpocznę od omówienia jedne-

go z najważniejszych zagadnień mikroelektroniki — miniaturyzacji. W dalszej czę-

ści omówię zasady i reguły projektowania układów scalonych. Pokażę jak ogrom-

ną rolę spełnia informatyka w mikroelektronice. Następnie powiem o szczegółach

wytwarzania układów scalonych, czyli o tym, jak przejść od umiejętności wytwa-

rzania pojedynczego tranzystora, którą już posiadasz, do wytwarzania milionów

tranzystorów, jak to ma miejsce we współczesnych układach scalonych. Przy okazji

uzupełnię wiedzę o poznanych procesach technologicznych oraz wrócę do pomi-

niętych w poprzednim module zagadnień związanych z testowaniem i pakowaniem

w obudowę. Na koniec opowiem bardzo krótko o szybkości układów scalonych.

Zawarte w tym module informację będą niezbędne do stworzeniu projektu własne-

go układu scalonego. Jednocześnie pozwolą Ci dostrzec silny związek między mi-

kroelektroniką a informatyką, który do tej pory nie była jednoznacznie widoczny.

Zapraszam do lektury!

1. Skalowanie tranzystora MOS

Jak pamiętasz, mikroelektronika zajmuje się miniaturyzacją elementów elektro-

nicznych oraz działaniem i technologią układów scalonych. Do tej pory zajmowa-

liśmy się jedynie tą drugą częścią, a więc działaniem i technologią układów sca-

lonych. Najwyższy czas powiedzieć o miniaturyzacja elementów elektronicznych.

Oczywiście jest to bardzo szerokie zagadnienie i dlatego skupimy się wyłącznie

na miniaturyzacji układów wykonywanych w technologii CMOS, a więc zbudowa-

nych z tranzystorów MOS i połączeń między nimi.

Chciałbym, abyś zwrócił uwagę na jedną bardzo ważną rzecz. Nieważne z jakich

tranzystorów zbudujesz układ — będzie on działał zawsze, jednak im tranzystory

są lepsze, tym układ działa lepiej. Raz zaprojektowanego układu już nie zmieniasz,

poprawiasz jedynie parametry tranzystorów, uzyskując jednocześnie coraz lepsze

parametry całego układu. Jest to ogromna zaleta, do której będę jeszcze wielokrot-

nie powracał. Projektujesz raz, a zmieniając jedynie technologię wykonania, pro-

dukujesz coraz lepsze układy. Przy dużych projektach pozwala to zaoszczędzić spo-

ro czasu pracy zespołu projektantów. Oszczędność czasu to oczywiście oszczęd-

ność kosztów oraz szybszy postęp!

1.1. Wymiary tranzystora MOS

Zanim zaczniemy cokolwiek miniaturyzować dowiedzmy się, jakie wymiary i pa-

rametry ma tranzystor MOS, na przykładzie NMOS-a (rys. 1):

— L g — długość bramki (najważniejszy z parametrów),

— L ch — długość kanału,

— L n + — długość domieszkowania wysp źródła i drenu (obie są takie same),

— X n + — głębokość domieszkowania wysp źródła i drenu (obie są takie same),

— t Si — grubość tlenku bramkowego,

— L c — długość kontaktu,

— D — szerokość tranzystora,

— N n + — koncentracja domieszkowania wysp źródła i drenu (obie są takie same),

— N a — koncentracja domieszkowania podłoża.

W poniższej tabeli zestawiłem parametry dla przykładowego tranzystora wykona-

nego w już nie najnowszej technologii, z połowy lat 90. ubiegłego wieku.

Parametr Wartość

L g

0,25 µm

Tabela 1

Przykładowe wymiary

tranzystora MOS

L ch

0,2 µm

L n +

0,4 µm

X n +

0,2 µm

t Si

6 nm

0,6 µm

N a

3,5 · 10 17 cm –3

N n +

1 · 10 20 cm –3

Przypomnę tylko, że 1 mikrometr (µm) to jed-

na milionowa części metra, albo inaczej mówiąc,

jedna tysięczna milimetra. Natomiast 1 nano-

metr (nm) to jedna tysięczna mikrometra, a więc

jedna milionowa milimetra. Są to wielkości nie-

zwykle małe i na co dzień nie spotykamy się z ni-

mi. Jednak można je sobie wyobrazić, patrząc na

ludzki włos. Otóż w poprzek włosa można uło-

żyć ok. 50 takich tranzystorów o takich wymia-

rach, jak w tabeli. Brzmi to niesamowicie, a jed-

nak nie dość, że jest to możliwe, to jeszcze po-

wyższa technologia odeszła już do lamusa. Obecnie tranzystory są o wiele mniejsze

— nie są to już wielkości na poziomie mikrometrów, lecz dziesiątek nanometrów,

a więc w poprzek włosa można ich już ułożyć setki! Natomiast jednostka domiesz-

kowania cm –3 wyraża ile atomów domieszki znajduje się w jednym centymetrze

sześciennym półprzewodnika. Normalnie samych atomów krzemu jest ok. 5 · 10 22

w 1 cm –3 , domieszkowanie na poziomie 10 20 oznacza zatem, że mniej więcej co set-

ny atom jest domieszką, a 99 jest atomami półprzewodnika.

Rysunek 1

Wymiary tranzystora MOS

Zapewne zadasz sobie pytanie, w jaki sposób można produkować aż tak małe ukła-

dy, przecież odległości między atomami w sieci krystalicznej są na poziomie części

nanometra, a więc tranzystor o wymiarach kilkudziesięciu nanometrów zbudowa-

ny jest z kilkuset atomów! Odpowiedzią jest oczywiście przedstawiona w poprzed-

nim module technologia produkcji. Jeśli teraz przyjrzysz się jej jeszcze raz, stwier-

dzisz zapewne, że właściwie nie ma większego problemu z wytrawieniem nawet

bardzo cienkich warstw. Wkładasz płytkę podłożową do cieczy trawiącej lub pod-

dajesz ją działaniu strumienia elektronów i po kłopocie, tu wymiar nie gra więk-

szej roli, choć oczywiście nie jest obojętny. Podobnie sytuacja wygląda w przypad-

ku dyfuzji czy nakładania warstw. Jedynym widocznym problemem jest odwzoro-

wanie małych kształtów na powierzchni, czyli proces litograﬁi.Dlategoomawiając

procesy technologiczne powiedziałem, że ten właśnie proces jest krytyczny i świad-

czy o zaawansowaniu technologii.

Często możesz spotkać się ze stwierdzeniem, że procesor został wykonany w tech-

nologii 90 nm. Liczba ta oznacza tzw. możliwości odwzorowywania kształtów

w procesie litograﬁi. Im jest ona mniejsza, tym mniejsze przyrządy można wyko-

nywać. Z liczbą tą związana jest tzw. jednostka λ. Nazwa technologii to 2λ. Zatem

dla technologii 90 nm λ wynosi 45 nm. Jak się już niedługo przekonasz jednostka λ

ma kluczowe znaczenie w procesie projektowania układów scalonych.

1.2. Reguły skalowania tranzystora MOS

Jedną z największych zalet tranzystorów MOS jest opracowanie stosunkowo pro-

stych reguł ich skalowania. Miniaturyzacja pozwala m.in. na:

— zwiększenie liczby układów (albo ich skomplikowania) na jednej płytce krze-

mowej,

— zwiększenie gęstości upakowania,

— zwiększenie szybkości pracy,

— zmniejszenie wydzielanej mocy.

Zmniejszając wymiary, uzyskujemy coraz lepsze parametry użytkowe urządzenia,

bez jakiejkolwiek ingerencji w sam układ. Można wręcz powiedzieć: im mniejsze,

tym lepsze. Jednak na przeszkodzie stoją możliwości procesu litograﬁi, które de-

cydują o tym, jak mały może być przyrząd. Z drugiej strony tranzystora nie można

zmniejszać w dowolny sposób. Poszczególne jego parametry, a więc wymiary i do-

mieszkowania, są oczywiście ze sobą powiązane. Dlatego właśnie powstały proste,

ale skuteczne metody mówiące o tym, jak zmniejszać tranzystory. Zostały one na-

zwane regułami skalowania.

Rysunek 2

Reguły skalowania

Najpopularniejszą i najwygodniejszą regułą skalowania tranzystorów MOS jest za-

proponowana we wczesnych latach 70. ubiegłego wieku przez M. Dennarda zasa-

da mówiąca o takiej zmianie parametrów przyrządu, aby zachować stałe natęże-

nie pola elektrycznego. Dzięki temu uzyskuje się bardzo zbliżone ﬁzycznewarunki

pracy tranzystora. Mówiąc inaczej, zmniejszamy tranzystor, a on nadal pracuje po-

dobnie jak przed zmniejszeniem. Tranzystor skalujemy z określonym współczynni-

kiem, oznaczmy go α. Jeśli chcesz zmniejszyć tranzystor o połowę, to przyjmujesz

α = 2, jeśli chcesz go zmniejszyć trzykrotnie, to α = 3 itd. Wówczas, zgodnie z re-

gułą skalowania, zmianie ulegają, ze współczynnikiem skalowania α, następujące

parametry tranzystora (rys. 2):

— długość i szerokość kanału — 1/α,

— głębokość złącz drenu i źródła — 1/α,

— grubość tlenku bramkowego — 1/α,

— koncentracja domieszkowania podłoża — α,

— napięcie zasilające — 1/α,

— szerokość połączeń — 1/α.

Dzięki temu, w zależności od przyjętego współczynnika α, zmianie ulegają również

parametry układu scalonego:

— wzrasta gęstość upakowania elementów — α 2 ,

— wzrasta maksymalna szybkość pracy — α,

— zmniejsza się pobierana moc — 1/α 2 .

Stała natomiast pozostaje gęstość mocy.

Z czego biorą się powyższe współczynniki? Przyjrzyjmy się pierwszemu z nich. Po-

wierzchnia zajmowana na płytce przez tranzystor wynosi L · D . Jeśli każdy z wy-

miarów zgodnie z regułą skalowania zmniejszymy α razy, to zajmowana powierzch-

nia wyniesie:









Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: