Перевод О. Александрова

ASIC: Парад технологий

Разные производители программируемых микросхем (ASIC) имеют и используют различные технологические возможности их изготовления. При этом речь идёт не только о степени прогрессивности собственно технологических процессов (минимальном размере элементов — разрешении), но и о способности реализации на кристалле различных видов запоминающих устройств, аналоговых схем, а также использования медных межсоединений.

Выпускаемые сегодня ASIC содержат на кристалле максимум до 2 млн. вентилей. При их производстве используется несколько различных базовых полупроводниковых технологий. Первой из них является 0,25-мкм КМОП-процесс изготовления низковольтных схем с 6 слоями металлизации. Помимо этого для изготовления небольших серий изделий, предназначаемых в основном для внутрифирменного применения, используется 0,35-мкм технология схем на подложках “кремний на изоляторе” (КНИ — SOI). В конце текущего года должен быть освоен 0,18-мкм КНИ-процесс для низковольтных схем с двойными поликремниевыми затворами, а также аналогичный процесс с разрешением 0,25 мкм. На середину 2001 года планируется освоение 0,13-мкм КНИ-процесса.

По утверждению г-на Н. Авеллана, менеджера по специализируемым ИС европейского отделения Epson Electronics, фирма использует сегодня в своих ASIC динамические ЗУ, статические ЗУ (6-транзисторные ячейки), а также флэш-память. Модифицированная флэш- память может включаться в структуры схем с напряжением питания 2,7 В, изготавливаемых по 0,35-мкм технологии, а также в микросхемы с питанием 2,3 В, изготавливаемые с помощью 0,25-мкм процесса. По выбору потребителя в микросхемах могут быть использованы две технологии флэш ЗУ, удовлетворяющие противоречивым требованиям: высокому быстродействию и минимальному потреблению мощности. Главная проблема интеграции флэш-памяти заключается в том, что при комбинации с аналоговыми технологическими процессами общий кристалл становится слишком дорогим. Интеграция с программируемыми логическими блоками в ASIC не увеличивает времени выхода готовых (спроектированных и изготовленных) изделий на рынок, поэтому в этом направлении фирма не испытывает особых трудностей.

Для изготовления аналоговых блоков используются 0,6- и 0,35-мкм технологические КМОП-процессы, а также 0,25-мкм процесс изготовления низковольтных схем с двойными поликремниевыми затворами. В настоящее время для изготовления аналоговых ячеек завершается освоение 0,18-мкм технологии с использованием подложек “кремний на изоляторе”.

ASIC, выпускаемые фирмой FUJITSU, сегодня имеют степень интеграции до 20 млн. вентилей на кристалл. При их изготовлении используется 0,18-мкм технологический процесс с 5 слоями металлизации. Не позднее конца 2001 года при производстве массовой продукции будет использоваться технология с разрешением 0,11 мкм и 8 слоями металлизации. Предполагается также внедрение разновидности 0,11-мкм технологии с 7 слоями медных межсоединений.

Как сказал г-н Вайнсциер, менеджер европейского отделения FUJITSU Microelectronic, сегодня в ASIC могут быть интегрированы ЗУ типа DRAM, SDRAM, FCRAM, а также SRAM (6-транзисторные ячейки, одно- и многопортовые, высокоскоростные). В ближайшие 2 года фирма не собирается встраивать флэш ЗУ в ASIC ввиду незначительного спроса на такие изделия. “Интеграция флэш-памяти не улучшает отношения стоимость/эффективность для покупателя”. В противоположность г-ну Авеллану Вайнсциер видит насущную необходимость интегрировать в ASIC программируемые логические блоки, но в настоящее время FUJITSU не владеет такой технологией.

Для реализации комплексных аналоговых функций используется КМОП-технологический процесс “Три Волны”, позволяющий интегрировать на кристалл аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи высокого разрешения — 400 млн. преобразований/с, 12 бит; компараторы, ключи, операционные усилители и др.

“Сегодня мы способны поставлять изделия со степенью интеграции 24 млн. эквивалентных вентилей в образцах, а начиная с 3 квартала текущего года — в серийных объёмах. С начала первого квартала следующего года мы будем поставлять образцы ASIC со степенью интеграции до 40 млн. эквивалентных вентилей, изготовленные по технологии CU-11”, — пояснил Ральф Бергманн, инженер по применению ASIC фирмы IBM Microelectronics. Для производства серийной продукции в промышленных количествах сегодня используется технологический процесс SA-27 с разрешением 0,12 мкм. В III квартале текущего года фирма намерена начать использование процесса SA-27e с разрешением 0,11 мкм в серийном производстве, на III квартал 2001 года планируется начало производства серийной продукции с помощью процесса CU-11 с разрешением 0,08 мкм. ASIC, изготавливаемые сегодня IBM серийно с помощью процесса SA-27, имеют 7 уровней медной металлизации. Чтобы привести в соответствие требования по необходимой нагрузочной способности и толщине проводников системы соединений, IBM даёт своим потребителям возможность выбирать ширину проводящих дорожек в соответствии с системными требованиями. Это означает, что при необходимости, несмотря на дороговизну, в ASIC немедленно вводится дополнительный слой металлизации.

Для изделий, изготавливаемых с помощью процессов SA-27 и CU-11, интеграция DRAM предлагается как опция. Помимо этого имеется возможность интеграции в логические блоки разнообразных SRAM-конфигураций. В качестве последних могут быть использованы как очень быстрые SRAM-макросы, так и устройства, оптимизированные по минимуму потребляемой мощности или занимаемой площади (“высокоплотные” SRAM с избыточностью). Все макрофункции SRAM — собственной разработки.

Фирма использует для производства C10N/DE — КМОП-технологический процесс с минимальной длиной затвора 0,18 мкм (по поверхности) и 6 слоями металлизации. В стадии разработки находится 0,13-мкм процесс с 7 или 8 слоями металлизации, одновременно ведётся разработка технических требований к процессу с разрешением 0,1 мкм. Начиная с C10N/DE (0,18 мкм), все металлизируемые поверхности медные. С освоением 0,13-мкм технологии фирма начнёт дополнительные работы на материалах с низкой диэлектрической проницаемостью.

Процесс С10 является базовой технологией создания приборов со встраиваемыми динамическими ЗУ типа eDRAM (DE). По мнению Дитмара Майера, директора по маркетингу ASIC INFINEON TECHNOLOGIES, процесс C10DE по плотности размещения и значениям параметров логических и аналоговых устройств идентичен технологии C10N (для логических схем). INFINEON обладает также технологией для приборов, базирующихся на DRAM. Кроме этого, на кристалл могут быть интегрированы SRAM (6-транзисторные ячейки) в одно-, двух- и трёхпортовой конфигурациях. В настоящее время ведутся исследования по созданию SRAM с меньшим числом транзисторов в ячейках. По мнению г-на Байера, развитие встраиваемых ЗУ (стираемых и нестираемых) является несомненным существенным фактором успеха в создании систем на кристалле (SoC). В области технологии встраиваемой флэш-памяти INFINEON занимает специфическую позицию. По мнению г-на Байера, число потенциальных применений ASIC со встроенными флэш ЗУ будет возрастать в соответствии с тенденцией интеграции конечных изделий в однокристальные системы. Примерами успешного использования встроенных флэш ЗУ является целая гамма новых конечных продуктов, таких как интеллектуальные телефоны, мобильные интернет-устройства, коммуникаторы/органайзеры. Высшая степень интеграции означает, как правило, наименьшую потребность в площади кристалла, минимально возможное потребление мощности, небольшое время внедрения и приемлемую общую стоимость на длительный период времени. В противоположность этому, внедрение встроенных флэш ЗУ требует огромных затрат. INFINEON к настоящему времени успешно реализовал технологические предпосылки для создания приборов со встроенной флэш-памятью. Однако пока ещё не решено, когда эти специфические однокристалльные системы будут выпущены.

По мнению г-на Байера, рынок интегрируемых программируемых или конфигурируемых логических блоков находится пока в “эмбриональном” состоянии. “Мы следим за развитием событий в этой области и анализируем их очень тщательно и обязательно совместно с нашими потребителями. Правда, пока ещё не найдено приемлемого решения, которое было бы удовлетворительным по стоимости, с одной стороны, и гибкости использования — с другой”, — пояснил г-н Байер. INFINEON имеет большой опыт в области интеграции аналоговых функций. Большинство выпускаемых фирмой специализируемых пользователем изделий имеют в своём составе по меньшей мере один аналоговый блок. Таковыми в частности, могут быть аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, петли ФАПЧ и приёмопередатчики интерфейсов линий для коммуникационных применений. “Как правило, наряду с логическими процессорами, мы размещаем на кристалле аналоговые элементы — специальные транзисторы, МДМ-конденсаторы и др., предназначенные для реализации встроенных аналоговых функций. Конечно, многие функции могут быть реализованы и с помощью уже существующих базовых процессов”.

Прототипы ASIC, запланированные к выпуску в 3 квартале 2001 года, предполагается изготавливать по Gflx-технологии с разрешением 0,13 мкм по поверхности (эффективное — 0,11 мкм) с достигнутой на сегодня плотностью размещения 78 млн. вентилей на кристаллах размерами 2ґ2 см. Используемая LSI в настоящее время, технология G12 имеет разрешение 0,18 мкм по поверхности (эффективное — 0,13 мкм) при максимум 6 слоях металлизации. Gflx-технология имеет возможность использовать до 8 слоёв металлизации. Медная металлизация в производстве пока ещё не применяется.

Тим Дэниэлс, менеджер по маркетингу ASIC, сказал, что LSI Logic сейчас концентрирует усилия на применении материалов с малыми коэффициентами диэлектрической проницаемости, поскольку именно это может обеспечить наилучшие стоимостные показатели по сравнению с другими методами. Тем не менее, специалисты фирмы внимательно следят за развитием “медной” технологии и не исключают возможности включения её в Gflx-процесс.

Руководствуясь соотношением “стоимость – эффективность”, в изделиях используются ЗУ типа 1T-DRAM или 1T-SRAM.

Для изделий, изготавливаемых по технологии G12, возможно использование встраиваемых SRAM с 6-транзисторными ячейками (6Т) ёмкостью до 8 Мбит или 1T-SRAM ёмкостью до 24 Мбит.

В противоположность коллегам, г-н Дэниэлс видит насущную необходимость в использовании встраиваемых программируемых логических матриц. LSI Logic намерена выпустить на рынок изделия с этой опцией в III квартале текущего года. Помимо этого, LSI проводит исследования по развитию адаптивных кремниевых технологий. Фирма располагает также разнообразными возможностями в аналоговой области: специализированными транзисторами для создания схем со смешанными (аналоговыми и цифровыми) сигналами, разнообразными пассивным компонентами, например, конденсаторами со структурой “металл–металл”.

Минимальные геометрические размеры в серийной продукции фирмы сегодня составляют 0,20 мкм, на два последующие года предполагается иметь соответственно 0,13 и 0,10 мкм. Максимально возможное число слоёв металлизации в настоящее время — 5, в будущем оно должно вырасти до 7. “Медные межсоединения, вероятно, найдут применение в будущих технологических процессах, однако, сейчас медь не используется”, — рассказал Роман Польц, директор по маркетингу сегмента компьютерной техники европейского отделения LUCENT TECHNOLOGIES. Г-н Польц не привёл никаких данных относительно DRAM, но пояснил, что уже несколько лет имеется возможность встраивать SRAM в специализированные микросхемы. При этом имеются различные варианты оптимизации по плотности размещения или по эксплуатационным параметрам. По мнению г-на Польца, интеграция флэш-памяти в ASIC может быть полезной. Однако её использование в серийной продукции следует хорошо взвесить, поскольку всё будет определяться необходимыми затратами. Флэш-память уже несколько лет интегрируется в DSP-микросхемы, чтобы облегчить модификацию прикладного программного обеспечения. При серийном выпуске чаще используются ПЗУ (ROM), имеющие лучшие характеристики. Интеграция в ASIC программируемых блоков предлагается фирмой на двух различных уровнях. С помощью метода стандартных ячеек с лазерным программированием (LPSC) при приемлемом уровне затрат могут быть реализованы различные версии близких функциональных структур. Соединение ASIC с FPGA породило метод программируемых пользователем стандартных ячеек (FPSC). Оба метода могут использоваться уже сегодня.

Аналоговые процессы, имеющиеся в распоряжении LUCENT TECHNOLOGIES, весьма многообразны. Имеются и специализированные средства для создания устройств со специфическими требованиями, таких как, например, схемы зарядки аккумуляторных батарей, высоковольтные блоки и так далее. Наряду с перечисленными, фирма располагает модульными процессами, встраиваемыми в базовые цифровые технологии для расширения функциональных возможностей. Это, например, модули прецизионной линейной, BiCMOS и Si-Ge-технологий, благодаря чему стало возможным встраивать в системы специальные функциональные устройства — аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, высокоскоростные интерфейсы ввода/вывода, радиочастотные схемы и так далее.

“Глубокие субмикронные технологии с разрешением 0,25 мкм и менее сделали возможным изготовление микросхем с плотностью упаковки, составляющей многие миллионы вентилей. Однако, учитывая возможности современных средств проектирования и требования максимально быстрого выхода на рынок, весьма сложно разрабатывать и выпускать такие изделия в приемлемые сроки. Вследствие этого, выпускаемые сегодня изделия имеют степень интеграции от 1,5 до 2 млн. вентилей, причём IP-блоки, такие как центральный процессор и большие массивы памяти, совмещаются в общем кристалле”, — разъяснил Марк Эллинз, старший менеджер по ASIC европейского отделения SAMSUNG. Для выпуска продукции вводятся в эксплуатацию два технологических процесса: один из них имеет разрешение 0,25 мкм и максимум 5 слоёв металлизации, другой — 0,18 мкм и 6 слоёв, соответственно. Серийный выпуск изделий планируется на начало 2001 года. Следующий шаг — внедрение 0,13-мкм процесса — должен быть сделан в конце 2001 года. Г-н Эллинз сказал, что фирма уже проявила свои возможности в области “медных” технологий при создании своих Альфа-процессоров. В настоящее время ведутся работы, направленные на то, чтобы технология медных межсоединений стала составной частью стандартного 0,18-мкм процесса изготовления ASIC, но наиболее вероятно, что медь будет использоваться только начиная с 0,13 мкм.

По технологии 0,25 мкм возможно изготовление DRAM ёмкостью до 64 Мбит. По словам г-на Эллинза, SAMSUNG имеет давний опыт в области создания микросхем со встроенными DRAM. Крупными сериями выпускаются несколько видов таких схем — драйверы накопителей на жёстких дисках, графические ускорители и др. Хотя SAMSUNG располагает SRAM-технологией (1Т-SRAM), из стратегических соображений она не предназначается для 0,25-мкм техники, а будет предлагаться в составе 0,18-мкм изделий. В противоположность этому, успешно завершено создание встраиваемых блоков флэш-памяти. Тестовые испытания этих устройств показали их работоспособность при более чем 100000 циклах перезаписи и длительность хранения информации 10 лет. Хотя использование программируемой логики в ASIC обещает несомненную пользу, SAMSUNG пока не обладает полным набором готовых решений в этой области, но проводит активные исследования. Фирма имеет в распоряжении библиотеки с широким спектром аналоговых ячеек для всех технологий с разрешением менее 0,18 мкм. В них потребителю предлагается всё необходимое для реализации аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, блоков ФАПЧ и кодеков.

В настоящее время STMicroelectronics использует 0,18-мкм технологию с 6 слоями металлизации, через два года планируется внедрение 0,12-мкм процесса с 8 слоями металлизации. По словам Райнера Боница, специалиста по маркетингу и технической поддержке ASIC отделения STMicroelectronics в Центральной Европе, использование медных соединений возможно в базовых технологиях с разрешением от 0,15 мкм. Разработка такой технологии завершится к концу текущего года.

DRAM реализованы уже 0,18-мкм технологией, SRAM будут предлагаться как отдельные устройства высокой плотности. Выпускаются RAM-генераторы для различных систем с простой и многопортовой архитектурой, а также BIST-генераторы (built in self test).

Г-н Бониц также сказал: “STMicroelectronics выбрала свой путь развития. Эти генераторы могут использоваться потребителями ASIC бесплатно и являются элементом фирменной системы проектирования ST”. ST использует стандартные 6-транзисторные ячейки с процессом оптимизации по размещению. Опыт показывает, что встраиваемая флэш-память сейчас пользуется большим спросом, и ST может его удовлетворить. “Как правило, интеграцию флэш-памяти осуществляет ST, а не потребитель. Поэтому стоимость системы при использовании стандартной флэш-памяти оказывается много ниже, чем в случае применения ASIC со встроенными блоками, и возможность интеграции при небольшом числе кристаллов в системе оказывается неэффективной”, — пояснил г-н Бониц. Однако, интеграция становится легко осуществимой, когда процессы изготовления логических структур и памяти совместимы друг с другом. Программируемые логические блоки для изделий SТ находятся в стадии разработки. При этом исследуется возможность их интеграции в ASIC. Из аналоговых процессов г-н Бониц перечислил только высшие достижения: 0,35-мкм BiCMOS Si-SiGe, 0,25-мкм BiCMOS совместно с 25VDMOS и NVM, а также 0,18-мкм RFC-MOS и 0,35-мкм BCD (внедрение в конце текущего года). По его мнению, палитра технологий SТ охватывает все возможные области применения.

Фирма TI уже выпускает изделия со степенью интеграции 5 млн. вентилей и разрабатывает микросхемы с интеграцией до 20 млн. вентилей. Микросхемы на базе стандартных ячеек изготавливаются сейчас с минимальными размерами 0,11 мкм (эффективными) и 0,13 мкм (по поверхности). Сак Ли, директор по маркетингу ASIC, пояснил, что новейшее поколение изделий будет иметь размеры структур всего 0,065 мкм (эффективные) и 0,095 мкм (по поверхности). В этих изделиях предусматривается использовать также 7 слоёв медной металлизации. По словам г-на Ли, TI имеет значительный опыт применения SRAM-технологии: “Наши новейшие изделия используют ячейки памяти размером 1,95 мкм2, при этом плотность размещения достигает 450 Кбит/мм2”. TI предлагает встраиваемую флэш-память для изделий, предназначенных к использованию в коммуникационных устройствах, а также в схемах управления автомобилями. Г-н Ли напомнил также о том, что TI уже несколько лет предлагает ASIC со встроенной флэш-памятью, реализуемой с помощью различных технологий. В области программируемых логических блоков TI разработана собственная технология “TimeCell”, вызвавшая положительную реакцию рынка. Фирма располагает широким набором встраиваемых аналоговых устройств: цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, регуляторов и стабилизаторов напряжения, высокоскоростных интерфейсов ввода/вывода.

Степень интеграции логических микросхем (кроме схем на макроячейках и схем памяти) сегодня составляет от 5 до 10 млн. используемых вентилей. “Ключом является определяемое рынком время перепроектирования, а также наличие эффективных ресурсов для достижения такой интеграции”, — объяснил Армин Дерпманс, старший менеджер по маркетингу ASIC и телекоммуникационных ИС европейского отделения TOSHIBA ELECTRONICS. В производстве сейчас применяются технологии с разрешением 0,18 и 0,14 мкм, готовится к внедрению 0,11-мкм процесс. Сегодня могут использоваться максимум 5 слоёв металлизации, в будущем их число возрастёт до 7. В базовых процессах уже сегодня есть опции с медными межсоединениями. В изделия TOSHIBA могут встраиваться разные виды памяти: SRAM, DRAM, а также флэш ЗУ. Фирма намерена использовать сегодня и в будущем как собственные технологии, так и процессы других компаний, руководствуясь достижением максимальной пользы в реализации современных изделий (например, регистровых файлов для многопортовых структур). Для обеспечения стабильности во встраиваемых SRAM используются только 6-транзисторные ячейки. Г-н Дерпманс считает целесообразным использование встраиваемой флэш-памяти в изделиях для телекоммуникаций и автомобильной электроники. Этот сегмент рынка не очень широк, дифференциация цен на нём воспринимается как нормальный процесс, и, тем самым, ограничивает распространение устройств со встроенной флэш-памятью. Тем не менее, TOSHIBA разрабатывает эту линию, предлагая постоянно увеличивающееся число соответствующих приложений. “Флэш-память для ASIC — одно из главных направлений развития”, — заявил Дерпманс. Рынок сформировал свои требования и для программируемой логики, встраиваемой в однокристальные системы. Сегодня такие технологии уже стали предлагаемой реальностью. Здесь, однако, также имеют место значительные различия в области цен, которые могут сделать интеграцию невозможной. К тому же, TOSHIBA предлагает в качестве альтернативы возможности реконфигурируемой логики. Фирма не владеет специальными аналоговыми процессами, для этого используются опции базовых процессов, например, “высокоомный поликремний” в КМОП-процессе. Это является необходимым для реализации специализированных ячеек, например, высокоскоростных интерфейсов.

MARKT & TECHNIK, № 30, 2000 г.