13.ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ БИС
Ускоренные темпы развития приборостроения и вычислительной техники, рост номенклатуры изделий, повышение их функциональной нагруженности, расширение и ужесточение требований к выходным параметрам изготавливаемых схем выдвинули в качестве одной из первоочередных проблему автоматизации всех этапов создания интегральных схем и, в особенности, схем повышенного уровня интеграции (БИС и СБИС). Если при разработке электронных вычислительных машин третьего поколения номенклатура используемых интегральных схем в среднем исчислялась 10—20 наименованиями, то при использовании в машинах четвертого поколения БИС и СБИС (выполняющих функции ячейки или блока машины второго поколения) последовало резкое возрастания числа их типов, которое, в зависимости от класса машины и уровня интеграции, может составлять несколько сот или тысяч наименований. Повышение быстродействия, уровня интеграции (с вытекающей отсюда необходимостью учета все большего числа паразитных связей, резкого возрастания удельной рассеиваемой мощности и т. д.) делает невозможной решение задачи проектирования элементов и узлов вычислительных машин без самого широкого внедрения автоматизации проектирования и контроля.
Современные БИС представляют собой весьма сложные функциональные системы, проверка которых по всем возможным комбинациям входных сигналов является весьма трудоемкой операцией. И только разработка специальных программ, обеспечивающих полную автоматизацию процесса испытаний, и применение ЭВМ позволяют решить эту проблему.
Следует отметить, что автоматизация создания СБИС возникла не на голом месте, а имеет ряд общих черт с автоматизацией при проектировании и изготовлении микроминиатюрных изделий на дискретных компонентах, многослойных печатных плат и ИС с низким уровнем интеграции.
Актуальность всех трех задач автоматизации (проектирования, изготовления и контроля) не оставляет сомнений, однако их осуществление на каждом этапе развития технологии микроэлектроники тесно связано с технологическим уровнем производства интегральных схем, степенью развития специального технологического оборудования и оснащенностью электронной вычислительной техникой.
Условно можно выделить пять уровней автоматизации проектирования, изготовления и контроля интегральных схем как для однокристальных БИС, бескорпусных активных приборов и ИС, так и для СБИС, создание которых отличается в основном степенью автоматизации технологического оборудования и средств контроля, а также внедрением тех или иных средств реализации программ машинного проектирования ,которые представлены на следующей схеме.
На первом уровне разделение функций проектирования и изготовления ИС и СБИС проходит на операции вычерчивания на прецизионном автоматическом координатографе комплекта крупномасштабных фотооригиналов. Управление координатографом осуществляется от перфоленты или непосредственно от ЭВМ с помощью программ, являющихся результатом машинного расчета структуры, параметров и топологии ИС и СБИС.
В РБ,РФ и за рубежом интенсивно идет внедрение новых средств реализации программ машинного проектирования, таких как фотонаборные машины (генераторы изображений) и лучевые координатографы, рисующие топологические чертежи на фоточувствительном материале в окончательном масштабе интегральной схемы.
На втором уровне автоматизации задачи производства сводятся к изготовлению рабочих копий фотошаблонов, полупроводниковых и пленочных структур на максимально автоматизированных установках, скомпонованных в комплексные линии оборудования. Внедрение таких линий на ведущих зарубежных фирмах и на отечественных предприятиях происходит одновременно с внедрением автоматизированных линий сборки, монтажа и средств контроля с использованием ЭВМ.
Третий и четвертый уровни автоматизации связаны с внедрением лучевых методов обработки шаблонов и лучевых методов обработки полупроводниковых и пленочных структур.
Внедрение обработки материалов с помощью электронных и ионных пучков лазерного излучения уже позволяет создать комплексные автоматические линии изготовления ИС и СБИС, включая операции сборки, монтажа и контроля. Наконец, пятый уровень, автоматизированные процессы проектирования, изготовления и контроля будут объединены в единый автоматизированный производственный комплекс, управляемый от ЭВМ, обязательно включающий в себя автоматизированную систему управления технологическим процессом и автоматизированную систему статистического контроля.
Обе эти системы будут иметь обратную связь с системой проектирования, что позволит по результатам измерений параметров технологического процесса и выходных параметров схемы корректировать как сам технологический процесс, так и электрические и конструктивные характеристики ИС и СБИС.
Остановимся несколько подробнее на задачах систем автоматизации проектирования, изготовления и контроля ИС и СБИС.
Автоматизация проектирования бескорпусных полупроводниковых ИС или однокристальных БИС включает этапы расчета активных компонентов, принципиальных электрических схем и топологии. В настоящее время еще нет единой системы, исходными данными для которой явились бы требования технического задания, а выходными — комплект фотооригиналов или фотошаблонов. Причина этого и в ограниченных возможностях современных ЭВМ и в различии математических методов решения этих задач. Поэтому система автоматизированного проектирования полупроводниковых ИС и БИС пока состоит из комплекса программ, решающих каждую из трех упомянутых выше задач в отдельности. На этапе расчета активных компонентов производится выбор физической структуры ИС и определяются геометрические и электрические параметры компонентов. Геометрические параметры являются исходными данными для этапа расчета топологии, электрические для этапа расчета электрических схем.
Этап расчета активных компонентов содержит сбор и статистическую обработку исходных данных, выбор достаточно точной математической модели, учитывающей характер процесса переноса заряда через р-п-переход, оптимизацию параметров активных компонентов.
Исходными данными для этого этапа являются:
требования к параметрам будущей ИС, которые определяются техническим заданием на проектирование;
построение принципиальной электрической схемы ИС и подпрограмма ее анализа;
данные о полях допусков на выходные параметры ИС;
электрофизические характеристики планарно-эпитаксиальной структуры и необходимые константы;
данные о типовых конфигурациях компонентов;
данные о распределении легирующих примесей (экспериментальные или расчетные).
Возможны два варианта расчета активных компонентов: оптимальное проектирование компонентов по установившейся технологии изготовления ИС, когда производится только выбор конфигураций и оптимальный расчет геометрических размеров областей компонентов, и оптимальное проектирование планарно-эпитаксиальной структуры ИС и топологии компонентов в соответствии с требованиями на их параметры.
Основные трудности этого этапа состоят в создании алгоритмов, учитывающих специфические особенности в математической модели активного компонента .
Модель транзистора принципиально можно выбрать из уже разработанных моделей дискретных транзисторов и затем модифицировать ее с учетом особенностей интегральной планарной структуры. В эквивалентной схеме эти добавления влекут за собой в основном увеличение последовательного сопротивления коллектора, что связано с наличием контакта для области коллектора на поверхности структуры и с появлением емкости перехода коллектор—подложка, что вызвано наличием обратно смещенного р-n-перехода, изолирующего транзистор от других элементов схемы.
Наиболее перспективным является описание интегральных транзисторов с помощью эквивалентных схем, состоящих из частотно-независимых элементов, значения которых определяются топологией транзистора. Так, например, распределенное сопротивление базы Кб равно поверхностному сопротивлению базы рб, умноженному на отношение длины к ширине участка между базовыми и эмиттерными контактами..
Емкость коллектор—база Скб определяется с помощью характеристик базовой области и удельной емкости на единицу площади перехода. Последовательное сопротивление коллектора Кк определяется удельным сопротивлением материала коллектора и геометрическими размерами объема между коллекторным контактом и переходом база—эмиттер. Коэффициент усиления по току (для низкочастотных схем) определяется эффективной шириной базы между эмиттерным и коллекторным переходами и площадью эмиттера.
Модели диодов, конденсаторов и резисторов могут быть получены по аналогии с транзистором.
На этапе расчета электрической схемы определяются выходные параметры и допуски с учетом погрешностей технологического процесса изготовления структур и будущих условий эксплуатации.
Исходная математическая модель схемы представляет собой для простых линейных схем функциональное уравнение зависимости выходных параметров от параметров компонентов. Для логических схем математической моделью является система нелинейных дифференциальных уравнений.
Однако сложность технологического процесса не позволяет выявить точные функциональные зависимости между параметрами схемы и параметрами интегральных компонентов. Поэтому расчет выходных параметров ИС и допусков на них возможен лишь с использованием вероятностных аналитических методов при стационарном технологическом процессе с использованием статистических методов, применение которых позволяет, оперируя с законами распределения параметров компонентов, определить законы распределений выходных параметров. Статистические методы являются более универсальными, поскольку параметры пассивных и активных компонентов ИС характеризуются большими дисперсиями, между ними существует сильная корреляционная зависимость, законы распределения большинства параметров отличны от нормальных.
Статистический анализ ИС, как правило, выполняется методом Монте-Карло . Основные трудности при этом — трудоемкость получения статистических данных о параметрах компонентов и сравнительно большие затраты машинного времени.
Расчет интегральной схемы заканчивается статистической оптимизацией по критерию процента выхода годных схем. Под статистической оптимизацией понимается такая оптимизация, при которой функционалом является вероятность удовлетворения условий работоспособности схемы . То есть, необходимо найти вектор средних значений параметров компонентов ~Χ = F(Χ1,X2, . . ., Хп), обеспечивающий максимум вероятности удовлетворения системы условиям работоспособности. В этом случае предполагается, что система условий работоспособности принципиально удовлетворима, известны номинальные значения и законы распределения параметров компонентов .
Если при оптимизации по критерию процента выхода годных учитывать также изменение параметров в процессе эксплуатации, то достигается оптимальное решение с точки зрения критериев надежности.
Существуют методы, например, графоаналитический, позволяющие произвести совместную оптимизацию электрических и конструктивных параметров интегральной схемы. В качестве критерия оптимизации при этом выбираются минимальные габаритные размеры при заданной надежности схемы. В основу метода положено совместное решение уравнений, описывающих электрические и технологические характеристики схемы. Параметры технологического процесса используются в качестве входных. В их пространстве рассчитывается граница области годных интегральных схем, далее служащая условием оптимизации, и задается в виде функции критерий оптимизации (процент выхода годных, габариты).
Конечный результат расчета интегральных схем получается в виде оптимального по принятому критерию сочетания параметров технологического процесса. Как следствие определяются оптимальные значения электрических параметров и допусков на них.
Этап разработки топологии является заключительным при проектировании интегральных схем и наиболее трудоемким.
На этом этапе решаются следующие задачи:
размещение компонентов на полупроводниковой пластине;
проведение внутрисхемных соединений;
разложение общей топологии на отдельные слои;
выполнение комплекта фотооригиналов эмульсионных или рабочих фотошаблонов в зависимости от имеющихся исполнительных устройств.
Следует отметить, что в отличие от схем на дискретных компонентах электрические параметры полупроводниковых ИС сильно зависят от топологии, поэтому после расчета топологии расчёт электрической схемы повторяется. При этом на этапе расчета топологии определяются корреляционные зависимости между параметрами активных и пассивных компонентов интегральных схем.
Разработан целый ряд алгоритмов решения задачи взаимного расположения компонентов с минимальным числом пересечений, с эффективным использованием ЭВМ. Эти алгоритмы предъявляют определенные требования к конструкции компонентов, описывают размещение соединений в схеме и указывают последовательность их построения.
Задача разложения общего вида топологии на отдельные слои и реализация их с помощью исполнительных устройств является сравнительно простой. Техническое решение этой задачи требует лишь стыковки цифрового вывода информации ЭВМ с исполнительным устройством.
Построение СБИС может быть приравнено к построению больших систем, где возникает новая для автоматизации проектирования задача: каким образом разбить систему на отдельные интегральные блоки в данном случае полупроводниковые кристаллы с активными приборами или интегральными схемами. В общем случае для решения этой проблемы пригоден метод, заключающийся в переборе различных вариантов разбиений и выборе наилучшего из них по критерию максимальной величины коэффициента интеграции, определяемого как отношение общего числа внутрисхемных соединений и выводов к общему числу внешних выводов при данном разбиении.
Для регулярных структур, таких как ЗУ и некоторые логические ячейки, предложен более простой способ разбиения системы на отдельные кристаллы с целью минимизации их числа. Критерий оптимизации здесь — максимальное количество компонентов, приходящееся на один вывод.
Однако и в том, и в другом случае при проектировании реальных СБИС следует иметь в виду следующие обстоятельства При разбиении системы приходится учитывать ограничения по степени интеграции и максимальному числу выводов полупроводниковых ИС, ограничения по количеству кристаллов в корпусе с точки зрения теплоотвода, размера подложки, имеющегося в распоряжении разработчика корпуса и т. д.
При разработке серии, например, логических СБИС или ЗУ в виде СБИС для ЭВМ, очевидно, целесообразно производить разбиение схемы и оптимальное проектирование бескорпусных ИС, которые будут выполнять роль ячеек системы (обратная связь от расчета схемы СБИС на расчет схемы полупроводниковой ИС как показано на схеме). При разработке широкой номенклатуры специальных СБИС целесообразно использовать серийные бескорпусные приборы и ИС.
Проектирование СБИС фактически состоит из тех же этапов, что и проектирование полупроводниковых структур. Отличие лишь в том, что входными параметрами при расчете и оптимизации схемы являются выходные параметры полупроводниковых активных приборов и ИС, а выходными — параметры СБИС.
Топологический этап проектирования содержит две задачи: размещение кристаллов и пассивных элементов пленочной части СБИС на диэлектрической плате и трассировку межсоединений. Эти задачи можно решать одновременно, но для этого требуется большое машинное время и сложные программы. Поэтому они решаются зачастую раздельно.
Размещение кристалла на плате определяется электрической схемой и необходимостью соединения строго определенных контактов элементов и полупроводниковых ИС между собой. Огромное число вариантов трассировки межсоединений осложняет эту задачу.
Полупроводниковые приборы и ИС могут устанавливаться на плату с поворотом вокруг своей оси и с зеркальным расположением контактных площадок. Поэтому порядок расположения контактных точек для приборов с двумя и тремя выводами (резисторов, транзисторов) может не приниматься во внимание.
У многовыводных полупроводниковых ИС выводы не являются эквивалентными в электрическом и функциональном отношении. Их расположение по-разному сказывается на топологии. Поэтому кристаллы сначала размещают без учета расположения выводов, а затем выбирают определенный поворот и взаимное расположение.
В общем случае цель размещения состоит в обеспечении оптимальной трассировки межсоединений при использовании минимальной площади платы. Основными характеристиками размещения являются: время, затраченное на трассировку; полученные размеры эффективной площади подложки с учетом технологических ограничений; общая длина межсоединений и общее расстояние между монтируемыми кристаллами.
Большинство программ машинной трассировки основано на применении алгоритма Ли, который позволяет: определить кратчайший путь между двумя точками; определить оптимальный путь между двумя точками по одному из критериев, например, по числу пересечений или по минимальному расстоянию между соседними кристаллами. В большинстве случаев этот алгоритм используется, для решения первой задачи. Существенный недостаток алгоритма состоит в том, что он не учитывает ранее проведенные соединения, контакты и отверстия на плате.
Важной особенностью машинной трассировки межсоединений является зависимость выбранных программ от технологии изготовления многослойной коммутации и методов монтажа. Так, например, программы трассировки, отработанные для печатных плат, пригодны и для коммутационных плат в виде многослойной керамики, где переход со слоя на слой осуществляется с помощью контактных столбиков, и совершенно не пригодны для коммутационных плат, где изоляция наносится в местах пересечений. При наличии у полупроводникового кристалла проволочных выводов возможно использование пересечений навесных проводников с нижним слоем коммутации через изоляционный слой, что также существенно видоизменяет программы трассировки межсоединений.
Управление исполнительными устройствами (координатографами, фотонаборными установками, установками для лучевой обработки) также накладывает определенные условия на программы систем автоматизации.
Наиболее простыми являются системы с координатографами. По данным окончательного расположения элементов и схем межсоединений, хранящимся в памяти ЭВМ после реализации всех описанных выше программ, транслятор переводит эти данные на язык машинных команд, управлящих координатографом.
В ряде систем конструктор может вмешиваться в систему автоматического проектирования и вносить поправки. Для этого выходные данные могут быть просмотрены на экране с помощью индикаторного устройства. Если требуется более тщательный анализ, вычислительная машина может вычерчивать каждый шаблон с помощью графопостроителя.
Многие системы обеспечивают хранение в памяти ЭВМ целых ИС с целью их использования при проектировании СБИС. Такие элементы можно запрашивать из запоминающего устройства, , располагать в нужном порядке на экране индикатора, увеличивать или уменьшать, а затем соединять между собой, используя пульт для ввода исходных данных.
В системе автоматизации проектирования с использованием фотонаборной установки имеются три замкнутых блока: генерации изображения, разбиения сложных фигур и формирования управляющих команд фотонаборной установки. Блок генерации изображения фотошаблона служит для создания рисунка фотошаблона в памяти ЭВМ с языка, описывающего топологию чертежа. Блок разбиения производит разложение сложных фигур топологического чертежа на отдельные прямоугольники, которые могут быть сформированы с помощью масок фотонаборной установки. Наконец, блок формирования управляющих команд осуществляет дальнейшее разбиение отдельных прямоугольных фигур на более мелкие участки, допустимые с набором масок данной фотонаборной установки, и последовательный обход рисунка фотошаблона. Этот блок легко перестраивается и может работать с любой фотонаборной установкой.
Лучевыми установками можно управлять с помощью различных носителей информации, на которых закодированы: рисунок первого слоя металлизации; расположение отверстий во втором изоляционном слое, которые обеспечивают соединения между первым и вторым слоями металлизации; рисунок второго слоя металлизации.
При помощи вычислительной машины выполняется в увеличенном масштабе чертеж для проверки, а затем на носителе информации отображается программа для управления лазерной или электроннолучевой установкой.
Управление электронно-лучевой установкой может осуществляться и непосредственно от специализированной вычислительной машины или телевизионной системы управления.
В последние годы произошли серьезные сдвиги в области автоматизации технологических процессов получения полупроводниковых и гибридных тонкопленочных схем. Начат выпуск автоматизированного оборудования, снабженного ЭВМ, и, что особенно важно, сложных измерительных приборов и систем контроля с обратной связью, также снабженных ЭВМ, для поддержания технологических параметров установок на заданном уровне. Такие устройства открывают путь к комплексной автоматизации технологических процессов.
Системы автоматизированного управления установками ионного легирования рассмотрены нами в разделе 12 ,где были приведены основные технические характеристики и параметры.
Определенные успехи достигнуты и в области автоматизации процессов фотолитографии. Одной из ключевых проблем в фотолитографии является совмещение фотошаблонов в процессе формирования полупроводниковой или пленочной структуры. Присутствие оператора в этом процессе до недавнего времени считалось обязательным. Однако применение автоматических систем совмещения оказалось весьма эффективным. Повысилась воспроизводимость, точность, выход годных изделий и пропускная способность.
В НПО «Планар» спроектированы и производятся целый ряд промышленных установок совмещения с помощью современных фотоэлектрических контрольных устройств.
С внедрением методов нанесения фоторезисторов распылением и удаления фоторезистов с помощью плазмы созданы установки комплексной автоматизации процессов фотолитографии.
Однако, как уже отмечалось, наиболее полная автоматизация процессов формирования тонкопленочных и полупроводниковых структур может быть достигнута при внедрении лучевых методов обработки материалов структуры и исключении фотошаблонов как способа получения рисунка. Использование электронных и ионных пучков дает потенциальную возможность наряду с автоматизацией качественно улучшить все процессы микроэлектроники и выходные параметры интегральных схем.
За последние два десятилетия были разработаны принципиально новые способы производства интегральных схем, позволяющие автоматизировать технологические операции, на которых ранее применялся исключительно ручной труд. В первую очередь это сборочно-монтажные операции. Первоначально автоматизированное оборудование как в СССР, так и за рубежом появилось для таких операций, как присоединение кристалла, проволочный монтаж, герметизация. Затем появились комплексы оборудования, автоматизирующие почти все сборочные операции.
Наиболее существенный вклад в развитие этих систем внесли работы НПО «Планар»,которые были рассмотрены нами в разделе 8 .
Одной из основных проблем, стоящих перед изготовителями и потребителями БИС, является их контроль. Теоретически для логической БИС с числом входов п и числом возможных выходов т количество наборов комбинаций входных сигналов, необходимых для полной проверки схемы, составит 2nT. Такое число испытаний не сможет реализовать самая быстродействующая и высокопроизводительная ЭВМ. Поэтому большинство программ полуавтоматического и автоматического контроля БИС основано на моделировании логики работы схемы математическими методами.
Работоспособность схемы определяется при подаче на входы модели определенного набора сигналов. Выходные сигналы сравниваются с требуемыми величинами. Если схема выполняет требуемые логические функции, то далее выполняются операции по отбраковке негодных схем. Это делается для того, чтобы уже на этапе проверки работоспособности выявить часть дефектных схем, и тем самым сократить число испытаний.
На этапе определения количества и характера тестов для полной проверки БИС следует уточнить методику моделирования отказов. Например, не имеет смысла моделировать случайные ошибки изготовления, так как они, как правило, мот быть обнаружены при визуальном контроле.
Большинство программ контроля логических схем основано на переключении каждого узла БИС из состояния «О» в состояние «1» и обратно при подаче входного сигнала. О годности схемы судят по изменению выходных сигналов. Проведение таких контрольных операций возможно только с применением автоматизированных тестеров и систем. В противном случае стоимость контроля намного превысила бы стоимость самого изделия.
Наиболее сложными являются динамические испытания БИС.
Общая тенденция в проектировании автоматизированных систем контроля — использование как универсальных систем для проверки логических БИС, так и узко специализированных, но менее дорогих систем, например систем для контроля ЗУ. Тенденция узкой специализации систем автоматизированного контроля целесообразна для большинства линейных БИС, решающих по существу строго определенные функциональные задачи.
Внедрение автоматизированных систем управления технологическим процессом в производстве ИС и СБИС затруднено большим числом выпадающих из-под контроля факторов, определяющих выходные параметры схемы. Построение в этом случае алгоритмов управления, основанных на моделях технологических операций, возможно лишь с использованием статистических методов, которые отвечают природе технологических процессов в микроэлектронике, и методов планирования эксперимента . При помощи этих методов определяется стратегия управления технологическим процессом: задается определенный риск принятия ошибочного решения; с помощью математически обоснованных критериев проверяются гипотезы о протекании процесса при возможных флуктуациях воздействующих факторов. Эти методы при минимальных затратах времени и средств позволяют получить максимальную информацию о процессе и осуществить поиск лучших режимов
Для учета ряда качественных эффектов, например, разброса параметров от партии к партии или от подложки (пластины) к подложке (пластине), и исключения их влияния при постановке эксперимента используются методы дисперсионного анализа . По факторам, влияние которых не может быть учтено, проводят усреднение результатов эксперимента.
Так как технологический процесс производства интегральных схем складывается из большого количества факторов, оказывается эффективным применение отсеивающих экспериментов
Кроме того, поскольку вмешательство в технологический процесс производства интегральных схем нежелательно, часто прибегают к использованию данных пассивных экспериментов. И те, и другие эксперименты необходимо обрабатывать на ЭВМ для чего создается целый комплекс программ.
С точки зрения автоматизации проектирования и внедрения АСУТП статистические методы исследования имеют ряд преимуществ, среди которых сохранение точности при меньшем числе опытов и сокращение затрат на эксперименты. Еще одна система, тесно связанная с АСУТП и являющаяся необходимой для комплексной автоматизации, система автоматизированного статистического контроля выходных параметров. Задача этой системы сбор статистических данных о выходных параметрах изделий в непрерывном технологическом процессе, обработка их и определение статистических показателей процесса, средних арифметических выходных параметров и их дисперсий. По этим показателям можно укрупненно судить о стационарности технологического процесса. Они могут служить исходными данными при расчете и оптимизации новых схем, производство которых будет происходить по тому же технологическому процессу, а также при управлении процессом производства с помощью АСУТП.
Каждая из рассмотренных проблем автоматизации является предметом самостоятельного и детального рассмотрения. В настоящее время микроэлектроника находится на этапе перехода от исследования и совершенствования отдельных технологических операций и оборудования к комплексному решению вопросов проектирования и производства, что позволит в конечном итоге создавать гибкие интегрированные автоматизированные системы управления производством широкого класса изделий микроэлектроники.