8.2. МИКРОПРОЦЕССОРЫ И ТЕХНОЛОГИЯ БИС

Большая интегральная схема (БИС) — это полупроводниковый прибор, у которого на одной пластине из полупроводникового материала площадью в несколько квадратных миллиметров размещается до миллиона и более компонентов: диодов, транзисторов, резисторов. конденсаторов, соединенных между собой некоторым наперед заданным образом.

Технологический процесс изготовления БИС состоит из сложного комплекса операций, состав и режимы проведения которых в основном различны для двух видов технологий.

Первая — биполярная технология — основана на применении биполярных транзисторов, вторая — униполярная, или МОП (металл-окисел-полупроводник) - технология — на использовании транзисторов с полевым эффектом.

При рассмотрении одного из вариантов технологического процесса изготовления БИС можно выделить следующие этапы: переплавление, очистка и выращивание монокристалла кремния; затем кристалл разрезается на тонкие пластинки, на каждой из которых в дальнейшем одновременно формируется структура большого числа кристаллов, несущих на себе БИС;

поверхность пластинки изолируется окисной пленкой и затем покрывается светочувствительным слоем, который закрывается шаблоном и облучается ультрафиолетовым светом;

после затвердения облученного слоя пластинка подвергается травлению кислотой и перегретым газом;

на оголенные участки способами диффузии, вплавления, литографии и т. п. наносятся с использованием соответствующих шаблонов легирующие гримеси, диэлектрические пленки, пленочные проводники из золота и алюминия, создавая заданную многослойную структуру интегральной схемы;

пластинка скрайбируется, т. е. разрезается на отдельные кристаллы, к которым присоединяются стандартные проводники, полученный микропроцессор заключается в корпус и встраивается в какое-либо устройство.

Применяемые при изготовлении полупроводниковых ИС технологические процессы имеют групповой характер, т. е. одновременно изготовляется большое число ИС. Например, в кремниевой монокристалл ической пластине диаметром 76 мм (используемой в основном для изготовления ИС) размещается до пяти тысяч электронных схем, каждая из которых содержит от 10 до 20 000 электронных компонент и более. Многие операции допускают одновременную обработку 10—200 пластин и изготовление свыше одного миллиона электронных компонент. Даже при сравнительно небольшом проценте выхода годных ИС очевидна высокая экономичность их изготовления. При массовом производстве БИС оказываются значительно более дешевыми, чем эквивалентные им схемы, собранные из дискретных компонентов.

Высокая надежность ИС (относительно дискретных элементов) объясняется использованием при их изготовлении специальной технологии, применением особо чистых материалов, когда весь процесс изготовления протекает в условиях, исключающих возможность загрязнения. Кроме того, внутренние соединения БИС герметичны и защищены прочным покрытием, а их малые габариты позволяют создавать прочные и компактные узлы и блоки, способные выдерживать большие механические нагрузки. Высокая надежность ИС обусловлена также тем, что обычные проводниковые соединения между различными компонентами схемы заменены системой межсоединений, которую путем напыления наносят непосредственно на подложку.

БЙС, изготовляемые по биполярной технологии, можно классифицировать по схемотехническим способам реализации на четыре типа.

Это транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки- (ТТЛШ), интегральная инжекционная логика (ИИЛ или ) и эмиттерно-связная логика (ЭСЛ).

В МОП-технологи и можно выделить тоже четыре схемотехнических способа реализации БИС: МОП с проводимостями канала или -типа (-МОП, -МОП), комплементарная (или дополняющая) МОП (КМОП) и ее модификация, использующая полупроводниковый кремний на сапфировой подложке (КМОП/КНС).

Схемы каждого типа обладают своими отличительными параметрами и характеристиками, делающими их более пригодными для одних применений и менее — для других.

Поэтому знание характеристик и специфики различных типов ИС необходимо для эффективного использования тех или иных схем.

Отличительные особенности МП с учетом схемотехнических способов их реализации заключаются в следующем. ТТЛ — схемы на их основе обладают достаточно большим быстродействием и высокой нагрузочной способностью (коэффициентом разветвления по выходу); ТТЛШ — имеет более высокое быстродействие (чем по МОП или ТТЛ), но дорог и имеет низкую степень интеграции, используется в многокристальных МП; ЭСЛ — имеет сверхвысокое быстродействие, очень дорог, потребляет большую мощность и сложно сопрягается с ИС, изготовленными по другим технологиям, используется для больших и сверхбыстродействующих ЭВМ; ИИЛ — практически совмещает в себе достоинства всех технологий: высокую плотность (минимальное число элементов и внутрисхемных соединений среди всех известных ИС) и низкую стоимость п-МОП, высокое быстродействие ТТЛ и высокую помехоустойчивость КМОП; -МОП — медленно действующий, но дешевый, имеет высокую степень интеграции на кристалле, не сопрягается с ТТЛ и имеет низкую нагрузочную способность по выходам (на выходе МП должны использоваться усилители мощности); -МОП — более быстродействующий, но все еще уступающий по своим временным характеристикам стандартным схемам ТТЛ: его можно сделать сопрягаемым с ТТЛ, но он имеет низкую нагрузочную способность по выходам; КМОП — имеет относительно высокое быстродействие, крайне низкую потребляемую мощность, невысокую степень интеграции, повышенную стоимость (относительно -МОП и -МОП), но прост в сопряжении с ТТЛ, имеет высокую помехоустойчивость, находит применение прежде всего там, где помехи и агрессивная окружающая среда являются важным фактором или где очень важна малая потребляемая мощность.

Технология и -МОП позволяют получить МП на одном кристалле; такие МП являются самыми дешевыми и малогабаритными, более других обеспечены аппаратными средствами и имеют развитое программное обеспечение. Они обеспечивают также получение большой емкости памяти на одном кристалле (ПЗУ — 64 Кбит, ОЗУ — 16 Кбит).

Однако такие МП относительно медленно действующие, их трудно сопрягать с TTЛ-схемами. Серьезным недостатком является также низкое значение тока на выходе и неспособность работать на другие БИС без промежуточных усилителей мощности.

Подводя итоги, можно отметить, что микропроцессор как большая интегральная схема характеризуется следующими показателями (определяемыми технологией БИС): быстродействие, мощность потребления и количество уровней напряжения источника питания; габариты и масса; совместимость с ТТЛ; надежность; помехоустойчивость; стоимость; эксплуатационная стойкость; уровень интеграции (плотность упаковки); коэффициент объединения по входам; нагрузочная способность или коэффициент разветвления по выходу (показывает, какое число аналогичных элементов можно подключать к выходу данного элемента) и др.

В целом, из приведенного выше следует, что система параметров и характеристик МП, определяющих наиболее эффективную область использования и особенности разработки систем на его основе, должна включать в себя характеристики, присущие как электронным цифровым вычислительным средствам, так и большим интегральным схемам.

Необходимо отметить также, что наблюдается поляризация основных этапов проектирования систем на базе средств МТ — перераспределение основного внимания на системный и технологический (микроэлектронный) уровни.