ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м
.pdfЛ.А. Торгонский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ ИМИКРОПРОЦЕССОРОВ
Раздел 1
Учебное пособие
2011
1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем (КИБЭВС)
Л.А. Торгонский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХМИКРОСХЕМ ИМИКРОПРОЦЕССОРОВ
Раздел 1
Учебное пособие
2011
2
УДК 621.382
Торгонский Л.А.
Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. В 3-х разделах./ Раздел 1 — Томск: ТУСУР, 2011 г. — 254 с.
Содержание пособия отражает базовые требования, темы, понятия предусмотренные государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования РФ по одноимённой дисциплине для специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств».
Первый раздел пособия посвящен проектированию структур, топологических конфигураций элементов и кристаллов полупроводниковых микросхем.
Во втором разделе пособия рассматриваются основные аспекты проектирования элементов и плат гибридных микросхем, проектирования больших интегральных микросхем, проектирования средств защиты от внешних воздействий, монтажа и электромонтажа в конструкциях микросхем.
В третьем разделе размещены методические указания по изучению дисциплины, программа, варианты первой контрольной работы и технические материалы к выполнению трёх контрольных работ, вторая и третья из которых рассчитаны на компьютерный контроль. По дисциплине подготовлены вопросы компьютерного экзамена.
Пособие может быть рекомендовано студентам и специалистам других специальностей, выполняющим проектирование конструкций микросхем.
Торгонский Л.А., 2011Томск, ТУСУР, 2011
|
3 |
|
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
1 Введение......................................................................................... |
6 |
|
1.1 |
Термины и определения предметной области........................ |
7 |
1.2 |
Классификация микросхем ...................................................... |
9 |
1.3 |
Обозначение ИМС.................................................................. |
12 |
1.4 |
Конструкции и состав ИМС................................................... |
13 |
1.5 |
Цели и задачи изучения дисциплины.................................... |
17 |
1.6 |
Этапы проектирования микросхем........................................ |
17 |
2 Проектирование элементов и кристаллов биполярных |
|
|
ИМС............................................................................................. |
19 |
|
2.1 |
Введение.................................................................................. |
19 |
2.2 |
Состав радиоэлементов БПТ ИМС........................................ |
20 |
2.3 |
Материалы ИМС..................................................................... |
22 |
2.3.1 Введение............................................................................. |
22 |
|
2.3.2 Кристаллические материалы ИМС .................................. |
23 |
|
2.4 |
Изоляция элементов................................................................ |
26 |
2.5 |
Технологические слои структур БПТ ИМС.......................... |
29 |
2.6 |
Кремниевые пластины с ЭПС................................................ |
37 |
2.7 |
Кремниевые пластины с ЭПС и скрытыми слоями.............. |
38 |
2.8 |
Кремниевые пластины с полной диэлектрической |
|
|
изоляцией карманов............................................................... |
39 |
2.9 |
Арсенид галлия в производстве ИМС................................... |
41 |
2.10 Технологические варианты структур БПТ.......................... |
42 |
|
2.11 Параметры слоев структур БПТ ИМС................................. |
47 |
|
2.11.1 Оценка параметров слоя ................................................. |
49 |
|
2.12 Проектирование БПТ............................................................ |
54 |
|
2.12.1 Введение........................................................................... |
54 |
|
2.12.2 Функциональные параметры БПТ.................................. |
54 |
|
2.12.3 Расчетные соотношения оценки параметров БПТ........ |
55 |
|
2.12.4 Проектирование топологии БПТ.................................... |
63 |
|
2.12.5 Объемные формы и габаритные размеры элементов |
|
|
|
ИМС.................................................................................. |
68 |
2.12.6 Межэлектродные сопротивления БПТ........................... |
70 |
|
2.12.7 Зависимость коэффициента передачи от топологии..... |
76 |
|
2.12.8 Параметры быстродействия транзистора ...................... |
78 |
|
2.13 Алгоритм проектирования БПТ........................................... |
80 |
|
4 |
|
2.14 Диоды ИС.............................................................................. |
82 |
2.14.1 Общие замечания............................................................. |
82 |
2.14.2 Структуры интегральных диодов................................... |
83 |
2.14.3 Топологические конфигурации диодов......................... |
87 |
2.14.4 Проектные параметры диодов........................................ |
88 |
2.14.5 Схема замещения диода.................................................. |
91 |
2.14.6 Алгоритм проектирования диодов................................. |
92 |
2.14.7 Диоды Шоттки в структурах БПТ.................................. |
93 |
2.15 Модификации БПТ специального назначения ................... |
99 |
2.15.1 Общие сведения............................................................... |
99 |
2.15.2 Многоэмиттерный БПТ................................................. |
100 |
2.15.3 Многоколлекторный БПТ............................................. |
105 |
2.15.4 Транзисторы с контактными переходами Шоттки...... |
122 |
2.15.5 Транзисторы с продольной структурой....................... |
124 |
2.15.6 Транзисторы со сверхтонкой базой.............................. |
131 |
2.15.7 Транзисторы приборов совмещенных технологий..... |
132 |
2.16 Резисторы полупроводниковых ИМС............................... |
133 |
2.16.1 Общие замечания........................................................... |
133 |
2.16.2 Структуры резисторов полупроводниковых ИМС..... |
133 |
2.16.3 Топологические конфигурации резисторов................. |
135 |
2.16.4 Проектные параметры резисторов ............................... |
136 |
2.16.5 Расчетные соотношения................................................ |
136 |
2.16.6 Алгоритм проектирования полупроводниковых |
|
резисторов...................................................................... |
139 |
2.17 Конденсаторы биполярных ИМС...................................... |
141 |
2.17.1 Общие сведения............................................................. |
141 |
2.17.2 Конденсаторы на основе р-n-перехода ........................ |
141 |
2.17.3 Конденсаторы со структурой МОП.............................. |
143 |
2.17.4 Параметры конденсаторов БПТ ИМС.......................... |
144 |
2.17.5 Алгоритм проектирования конденсаторов БП ИМС..... |
150 |
2.18 Соединения и контакты БПТ ИМС ................................... |
152 |
2.18.1 Общие сведения............................................................. |
152 |
2.18.2 Материалы и структуры соединений и контактов...... |
153 |
2.18.3 Параметры и размеры соединений и контактов.......... |
157 |
2.19 Базовые элементы цифровых биполярных микросхем.... |
161 |
2.19.1 Введение......................................................................... |
161 |
2.19.2 Элементы транзисторно-транзисторной логики ......... |
163 |
2.19.3 Элементы ТТЛ с приборами Шоттки........................... |
166 |
5 |
|
2.19.4 Элементы эмиттерно-связанной логики...................... |
166 |
2.19.5 Элементы инжекционной логики (И2Л)...................... |
169 |
2.19.6 Элементы И2Л с диодами Шоттки............................... |
172 |
2.20 Кристаллы ИС..................................................................... |
175 |
2.20.1 Введение......................................................................... |
175 |
2.20.2 План кристалла.............................................................. |
179 |
2.20.3 Сокращение потерь площади рабочей кристалла....... |
181 |
2.20.4 Проектирование топологии ИС на БПТ...................... |
186 |
3 Элементы и кристаллы ИМС на полевых структурах...... |
190 |
3.1 Проектирование полевых структур.................................... |
190 |
3.1.1 Введение........................................................................... |
190 |
3.1.2 Структуры и классификация МДП-транзисторов......... |
191 |
3.1.3 Вольтамперные характеристики |
|
МДП-транзистров.......................................................... |
194 |
3.1.4 Параметры МДП-транзистора и расчетные |
|
соотношения.................................................................. |
197 |
3.1.5 Конструкции МДП-транзисторов................................... |
201 |
3.1.6 Алгоритмы проектирования МДП-транзисторов |
|
ИМС................................................................................ |
209 |
3.2 Элементы цифровых ИМС на МДП-транзисторах............. |
211 |
3.2.1 Введение........................................................................... |
211 |
3.2.2 Защита конструкций МДП-микросхем.......................... |
213 |
3.2.3 Логический инвертор с пассивной нагрузкой МДП..... |
214 |
3.2.4 Логический инвертор с активной нагрузкой МДП....... |
219 |
3.2.5 Логические элементы на МДП-структурах................... |
222 |
3.2.6 Совмещенные биполярнополевые структуры............... |
224 |
3.2.7 Полевые элементы устройств хранения информации .. |
227 |
3.2.8 Проектирование топологии ИС на МДП...................... |
232 |
3.3 Полевые структуры с зарядовой связью............................. |
233 |
3.3.1 Введение........................................................................... |
233 |
3.3.2 Приборы с зарядовой связью (ПЗС)............................... |
233 |
3.3.3 Варианты структур элементов ПЗС............................... |
240 |
3.3.4 Ввод и детектирование заряда в ПЗС............................. |
246 |
3.3.5 Параметры ПЗС............................................................... |
247 |
3.3.6 Транзисторы с зарядовой связью (ТЗС)......................... |
249 |
3.3.7 «Пожарные» МДП-цепочки............................................ |
251 |
3.3.8 Проектирование ПЗС ...................................................... |
254 |
6
1 ВВЕДЕНИЕ
Развитие радиоэлектроники и электронно-вычислительной техники проявило совокупность противоречий между усложнением функционального состава современной аппаратуры, с одной стороны, и надежностью, затратами на проектирование, производство, эксплуатацию, массогабаритными показателями и энергопотреблением с другой стороны. Преодолеть названные противоречия в значительной мере позволили успехи такого научнотехнического направления электроники, как микроэлектроника. К понятию «микроэлектроника» принято относить специфические методы проектирования электронных схем, конструкций и процессы производства основных изделий микроэлектроники — микросхем.
Для микроэлектроники характерен высокий уровень интеграции (объединения) схемотехнических, конструкторских, технологических решений, направленных на интенсивное производство микросхем. В производстве микросхем используются групповые и супергрупповые технологические процессы обработки, когда на одной технологической операции одновременно обрабатываются миллионы приборов. Именно в микроэлектронике получили распространение такие термины, как «интегральная микросхема (ИМС)», «интегральная электроника», «интегральная технология».
Специалист, работающий в области микроэлектроники, должен в равной мере владеть ее физическими, технологическими, схемотехническими основами. В свою очередь, огромное число элементов в составе микросхем обязывает к широкому применению в их проектировании современных средств вычислительной техники и компьютерных технологий.
Подготовка специалистов в области проектирования изделий микроэлектроники представляется достаточно сложной проблемой и, по-видимому, может рассматриваться, как многоэтапный процесс теоретической подготовки с накоплением практического опыта на специализированных производственных предприятиях.
7
Всоставе многоэтапной теоретической подготовки специалистов важное место отводится конструкторской подготовке, опирающейся на знания микросхемотехники проектируемых ИМС и возможности технологических процессов их производства. Конструктор ИМС должен решать совокупность задач проектирования в пространстве ограничений: «параметры назначения микроэлектронных приборов и ИМС в целом — ограничения технологии — ограничения условий эксплуатации».
Образовательным стандартом специальности 210202 предусмотрено изучение совокупности дисциплин физической, схемотехнической, технологической и конструкторской подготовки специалистов в области микроэлектроники.
Источниками теоретических сведений по конструкторскому проектированию изделий микроэлектроники являются изданные
впредшествующие годы учебные пособия, основные из которых поименованы в прилагаемом списке литературы.
Проводимая коррекция образовательных стандартов специальности и необходимость комплексного обеспечения процесса обучения методическими материалами по дисциплине «Проектирование интегральных микросхем (ИМС) и микропроцессоров» определили подготовку предлагаемого учебного пособия.
Впособии предпринята попытка объединить материалы, относящиеся к основным положениям образовательного стандарта по дисциплине, предложить прозрачные методики выбора конструкций и расчета размеров электронных приборов и ИМС на биполярных и полевых транзисторах. Рассмотрены вопросы проектирования, оценки показателей качества и подготовки конструкторской документации на микросхемы и микросборки.
1.1 Термины и определения предметной области
Основные термины и определения в области конструирования и производства микросхем определены стандартом ГОСТ 17021, согласно которому:
Интегральная микросхема (ИМС) — микроэлектронное из-
делие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компо-
8
нентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое.
Полупроводниковая ИМС — микросхема, элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводниковой пластины.
Пленочная ИМС — микросхема, элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки.
Частными случаями пленочных ИМС являются тонкопленочные и толстопленочные ИМС.
Тонкопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пленок до 1мкм, элементы которых изготовляются преимущественно методами вакуумного распыления и осаждения.
Толстопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пленок 10–70 мкм, элементы которых изготовляются методами трафаретной печати (сеткография).
Гибридные ИМС — микросхемы, часть электрорадиоэлементов (ЭРЭ) которых являются компонентами.
Микросборка (МСБ) — микросхема, состоящая из совокупности электрически соединенных компонент, размещенных на общем несущем основании.
Элемент — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию ЭРЭ (транзистор, диод, резистор, конденсатор и др.), которая выполнена нераздельно от кристалла или платы и не может быть выделена как самостоятельное изделие.
Компонент — часть интегральной микросхемы, реализующая функцию ЭРЭ, которая по конструкторской документации представляет собой самостоятельное изделие в части конструктивного исполнения, испытаний, сборки, монтажа.
Кристалл — часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.
Базовый кристалл — кристалл, в котором конструкцией предусмотрена возможность нанесения специальных соединений, изменяющих функцию, выполняемую кристаллом.
9
Базовый матричный кристалл — кристалл, на котором сформированы группы элементов, выполняющих одинаковые функции, и предназначен для создания ИС различного функционального назначения.
Плата — диэлектрическое основание со сформированными и размещенными на его поверхности элементами и компонентами.
Пластина — полупроводниковое основание, на котором одновременно формируется совокупность кристаллов.
Корпус ИМС — часть микросхемы, предназначенная для защиты кристалла или платы от внешних воздействий и монтажа в конструкциях более высоких уровней конструктивной иерархии.
Серия ИМС — совокупность ИМС, выполняющих различные функции, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, совместимые электрические параметры и единые эксплуатационные показатели.
Оригинал — чертеж технологического слоя структуры ИМС, предназначенный для исполнения фотошаблона. Оригинал выполняется с увеличением в зависимости от размеров минимальных геометрических фрагментов на кристаллах и платах и допустимой погрешности их исполнения.
Фотошаблон — фото- (или иная) копия оригинала, выполненная в масштабе от 1:1 до 1: 10 к размерам кристалла или платы на материале, пригодном для избирательного проецирования через него рисунка литографического рельефа на чувствительном маскирующем слое.
Топологический чертеж — это чертеж, несущий сведения о форме, размерах и взаимном расположении границ элементов кристалла или платы. Топологические чертежи могут быть общими и послойными. Используются для создания технологических оригиналов слоев.
1.2 Классификация микросхем
Микросхемы принято классифицировать по следующим признакам [1, 3]:
–конструктивно-технологическому способу исполнения;
–конструктивному исполнению;
–по области применения;