Микроэлектроника - метод. указания к ЛР

21

мещается не на поверхности пластины, а в ее объеме под областью стока.

По материалу затвора различают МДП структуры с алюминиевым затвором, молибденовым затвором, поликремниевым затвором.

По способу изоляции элементов различают МДП структуры с обратно смещенным р-n-переходом и диэлектрической изоляцией.

Название технологии изготовления МДП структур включает первый или второй элемент классификации, материал затвора и вид изоляции элементов (только при диэлектрической).

3.ОПИСАНИЕ ИЗУЧАЕМЫХ ИЗДЕЛИЙ

Влабораторной работе будут рассмотрены две технологии изготовления изделий с поликремневыми затворами:n-ДМДП; КМДП.

Вкачестве изделия 1, изготовляемого по n-ДМДП технологии, представлена микросхема К590КН8 с набором из 9 пластин (образцов) после различных операций технологического процесса. По функциональному назначению это быстродействующий ключ без схемы управления (рис. 4.1). Схема включает четыре ключа, защищенных по затворам охранным диодом от пробоя статическим электричеством. Для коммутации отрицательных напряжений на кристалл необходимо подавать отрицательное смещение, поэтому подложка микросхемы подключена к выводу 2.

а) б)

Рис. 4.1. Функциональная (а) и принципиальная (б) схемы изделия 1 (К590КН8)

22

В качестве изделия 2 представлена микросхема К590КНЗ с набором из 11 пластин (образцов) после различных операций технологического процесса КМДП ИМС. По функциональному назначению это спаренный четырехканальный коммутатор со средним быстродействием и схемой цифрового управления (рис. 4.1а). На рис. 4.1б представлен фрагмент схемы цифрового входа, а на рис. 4.2в - фрагмент схемы аналогового входа и выхода. Эти фрагменты облегчают поиск элементов на пластине для оптических измерений, так как на кристалле размещено более 200 элементов.

б)

Рис. 4.2. Функциональная (а) и принципиальные (б, в) схемы изделия 2 (К590КН3)

4.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Рассмотрите под микроскопом образцы изделия 1 из кассеты 1. Для правильного определения названия технологической операции и их последовательности необходимо учесть следующие рекомендации:

а) найдите пластину (кристалл) с наименьшим количеством сформированных областей и определите операцию, выполненную на этой пластине;

23

б) помните, что поверхность чистого кремния в окнах маскирующего окисла белая или светло-серая; поверхность чистого поликремния желтая.

2.Определите характерные признаки выбранных технологических операций и занесите в форму (табл. 4.1). К этим признакам относятся наблюдаемые в поле зрения окуляра микроскопа материалы пленок или масок на поверхности пластины, цвет окраски слоев и окон, состояние поверхности и т.п.

3.Повторите п. 1,2 для образцов изделия 2 из кассеты 2. Результаты свести в форму (табл. 4.1).

Таблица 4.1 Технологические операции изготовления МДП ИМС

4. Выполните оптические измерения конструктивных параметров элементов МДП ИМС по заданному в табл. 4.2варианту.

Таблица 4.2 Варианты элементов структур для оптических измерений

Для измерений необходимо:

а) определить по объектмикрометру цену деления шкалы окуляра микроскопа;

б) взять пластину (кристалл) с последней операции технологического процесса и, пользуясь принципиальной схемой исследуемой ИМС (см. рис. 4.1 или 4.2), найти измеряемый элемент по топологии, начав поиск от внешней контактной площадки кристалла;

24

в) для каждой области элемента МДП ИМС определить два конструктивных параметра: длину и ширину в микрометрах и занести в форму (табл. 4.3).

5. Зафиксируйте в форме (табл. 4.3) эскизы (фотографии) измеряемых элементов с указанием областей и выводов.

Таблица 4.3

Конструктивные параметры МДП структур

6. Покажите преподавателю результаты выполнения работы и оформите отчет.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Нарисуйте сечение n-канального ДМДП транзистора с поликремниевым затвором и укажите области истока, стока, затвора и канала.

2.Назовите последовательность основных технологических операций изготовления КМДП структур с поликремниевыми затворами.

3.Нарисуйте сечение комплементарной пары МДП транзисторов

сдиэлектрической изоляцией и поликремниевыми затворами и укажите области стока, истока, затвора и канала.

4. Для чего в МДП структурах нужен толстый окисел? Как его выращивают?

5.Какие материалы используют для получения затворов МДП транзисторов? Назовите особенности поликремниевых затворов.

6.Почему легируют поликремниевые затворы?

7.Каково назначение и принцип работы защитных элементов МДП структур (охранное кольцо, защитный диод, ограничительный резистор, диэлектрический карман)?

8.Нарисуйте сечение n-канального ДМДП транзистора с поликремниевым затвором и укажите области истока, стока, затвора и канала.

25

9.Назовите последовательность основных технологических операщп изготовления КМДП структур с поликремниевыми затворами.

10.Почему для межслойной изоляции и пассивации используется фосфоросиликатное стекло?

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №5

ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СХЕМОТЕХНИКИ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучить технологию изготовления и принципы работы серийно изготавливаемых запоминающих устройств.

Задачи работы:

1.Изучить конструкции микросхем памяти различного типа.

2.Сфотографировать элементы топологии ИМС памяти и объяснить назначение элементов.

3.Выполнить оптические измерения конструктивных параметров структур.

4.Зарисовать элементарные ячейки памяти ИМС запоминающих устройств

Продолжительность работы - 4 часа.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Внастоящее время разработана и серийно производится широкая номенклатура различных типов БИС ЗУ, определяемая выполняемыми ими функциями, структурой, схемотехникой построения и технологией изготовления.

Классификация и основные параметры. По выполняемым

функциям БИС ЗУ условно подразделяют на четыре класса: оперативные ЗУ, постоянные ЗУ (или ЗУ с преимущественным считыванием), ассоциативные ЗУ и ЗУ последовательного типа. Наибольшее распространение получили БИС оперативных и постоянных ЗУ.

Для построения БИС ЗУ (накопителя и схем управления) используется различная элементная база: диоды, биполярные и МДП-

26

транзисторы, а также простейшие логические элементы типа ТТЛ, ТТЛШ, И2Л, ЭСЛ, МДПТЛ или КМДПТЛ, модифицированные применительно к ЗУ.

В оперативных ЗУ (ОЗУ) записывается, хранится и считывается произвольная (переменная) двоичная информация с заданным быстродействием. БИС ОЗУ предназначены для построения основной памяти цифровых систем, в которой хранятся программы и массив данных, определяющие процесс текущей обработки информации. Отдельную группу в этом классе БИС составляют сверхоперативные ЗУ (СОЗУ), быстродействие которых соответствует скорости работы процессора системы.

По принципу хранения информации в ячейках памяти и способу управления ими все БИС ОЗУ подразделяются на статические, динамические, псевдостатические и квазистатические. В статических ОЗУ хранение информации в запоминающем элементе (ЗЭ) осуществляется постоянным источником питания (ячейка памяти - триггер). В динамических и псевдостатических ОЗУ информация хранится в ЗЭ в виде накопленных зарядов на паразитных емкостях диодов или транзисторов, а регенерация зарядов (восстановление информации) происходит периодически во время действия внешних (для псевдостатических ОЗУ) синхронизирующих сигналов. В квазистатических ОЗУ применяют статические ЗЭ и динамический способ управления периферийными схемами для снижения потребляемой мощности. Некоторые схемы ячеек ОЗУ разных типов приведены на рис. 5.1, 5.2.

Примеры микросхем ОЗУ: КР537РУ10 (статическая), КР565РУ5Г (динамическая).

Постоянные ЗУ (ПЗУ) служат для хранения информации, содержание которой не изменяется в процессе работы системы. БИС ПЗУ предназначены для хранения постоянных массивов информации: стандартных подпрограмм и микропрограмм, преобразователей кодов и генераторов символов, констант, табличных значений различных функций и др. Применение БИС ПЗУ расширяет технические возможности ЭВМ, повышает их быстродействие и надежность, позволяет уменьшить количество необходимых БИС ОЗУ. В зависимости от способа занесения информации (программирования) различают три основные разновидности БИС ПЗУ: ПЗУ с масочным программированием (ПЗУМ) (программируется раз и навсегда на заводе изготовителе, элемент памяти – плавкая перемычка), электрически про-

27

граммируемые ПЗУ (ППЗУ) (программируется пользователем, элемент памяти – перемычка либо диод в режиме электрического пробоя) и репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) (программируется пользователем, элемент памяти МДП-транзистор с плавающим затвором и другие его модификации).

Некоторые схемы ячеек ПЗУ разных типов приведены на рис. 5.3, 5.4.

Примеры микросхем ПЗУ: КР556РТ4(5, 6, 7), КР573РФ2,

КР573РФ4.

Рис. 5.1. Схемы ОЗУ на биполярных транзисторах: а, б) на двухэмиттерных транзисторах; в) на элементах И2Л;

г) динамическая ячейка

Рис. 5.2. Схемы ОЗУ на однотипных полевых транзисторах: а) статическая ячейка; б) динамическая ячейка

28

Рис. 5.3. Запоминающие элементы БИС ПЗУ

Информация из РПЗУ может быть стерта либо электрическим путем, либо при помощи ультрафиолетового излучения. Для этого в корпусах микросхем изготоявляется окошко, через которое ультрафиолетовое излучение попадает на кристалл, и информация под его действием и действием соответствующих потенциалов управления уничтожается.

29

Рис. 5.4. Диодное ПЗУ

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.По согласованию с преподавателем выберите микросхемы запоминающих устройств.

2.Определите по справочным данным, к какому типу ЗУ относятся выбранные микросхемы. Зафиксируйте основные электрофизические показатели микросхем (тип памяти, объем памяти, напряжение питания, потребляемые токи, диаграммы работы и т.п.).

3.Рассмотрите под микроскопом и сфотографируйте кристалл ИМС. Измерьте размер кристалла.

4.Определите раположение в структуре кристалла основных блоков

ЗУ.

5.Сфотографируйте элементарную ячейку памяти ЗУ и измерьте ее размеры.

6.Нарисуйте схемотехнику элементарной ячейки, соответствующей

ИМС.

7.Найдите на топологии кристалла ЗУ вспомогательные элементы, которые обеспечивают процессы записи, стирания информации, а также применяются для диагностики ИМС. Сфотографируйте их и измерьте основные геометрические размеры.

8.Покажите преподавателю результаты выполнения работы и оформите отчет.

30

4.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Поясните принцип работы ячейки статического и динамического ОЗУ.

2.Что такоерегенерацияи каконаосуществляется?

3.Чем определяется период регенерации?

4.Поясните работу ячейки ОЗУ n- и К-МОП типов.

5.Как осуществляется режим выборки ячейки ОЗУ?

6.Как осуществляются запись и считывание в ОЗУ?

7.От чего зависит энергопотребление ОЗУ?

8.Поясните принцип работы ячейки ППЗУ.

9.Как программируются РПЗУ?

10.Чем определяется период программирования?

11.Что такое плавающий затвор?

12.Как стирается информация из перезаписываемых ПЗУ?

ЛАБОРАТОРНАЯРАБОТА №6

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАБОТЫ СТРУКТУР ЦИФРОВЫХИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы – изучение работы цифровых логических микросхем, выполненных по различным схемотехническимтехнологиям.

Задачи работы:

1.Ознакомиться с типовыми схемотехническими структурами логических микросхем, выполненных по различным технологиям транзисторной логики.

2.Расчитать значения пассивных элементов, входящих в типовую схемотехническую структуру.

3.Создать модель структуры логической микросхемы.

4.Проанализировать работу ИМС в зависимости от изменяющихся внешних факторов и внутренних допусков на параметры интегральных элементов.

Продолжительность работы - 4 часа.