Л.А. Торгонский Проектирование интегральных микросхем и микропроцессов, Другое из Схемотехника. Омский государственный университет имени Ф.М. Достоевского (ОмГУ имени Ф.М. Достоевского)
VeronikAstapenko
VeronikAstapenko17 сентября 2017 г.

Л.А. Торгонский Проектирование интегральных микросхем и микропроцессов, Другое из Схемотехника. Омский государственный университет имени Ф.М. Достоевского (ОмГУ имени Ф.М. Достоевского)

PDF (5 MB)
255 страница
34Количество просмотров
Описание
Содержание пособия отражает базовые требования, темы, понятия предусмотренные государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования РФ по од- ноимённой дисциплине для специальности 210202 «П...
20 баллов
Количество баллов, необходимое для скачивания
этого документа
Скачать документ
Предварительный просмотр3 страница / 255

Это только предварительный просмотр

3 страница на 255 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 255 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 255 страницах

Скачать документ

Это только предварительный просмотр

3 страница на 255 страницах

Скачать документ
УчебноеПособие_Р1_1

Л.А. Торгонский

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Раздел 1

Учебноепособие

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

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ И МИКРОПРОЦЕССОРОВ

Раздел 1

Учебноепособие

2011

2

УДК 621.382

Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. В 3-х разделах. — Томск: ТУСУР, — Раздел 1. — 254 с.

Содержание пособия отражает базовые требования, темы, понятия предусмотренные государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования РФ по од- ноимённой дисциплине для специальности 210202 «Проектиро- вание и технология электронно-вычислительных средств».

Первый раздел пособия посвящен проектированию струк- тур, топологических конфигураций элементов и кристаллов по- лупроводниковых микросхем.

Во втором разделе пособия рассматриваются основные ас- пекты проектирования элементов и плат гибридных микросхем, проектирования больших интегральных микросхем, проектиро- вания средств защиты от внешних воздействий, монтажа и элек- тромонтажа в конструкциях микросхем.

В третьем разделе размещены методические указания по изучению дисциплины, программа, варианты первой контроль- ной работы и технические материалы к выполнению трёх кон- трольных работ, вторая и третья из которых рассчитаны на ком- пьютерный контроль. По дисциплине подготовлены вопросы компьютерного экзамена.

Пособие может быть рекомендовано студентам и специали- стам других специальностей, выполняющим проектирование конструкций микросхем.

 Торгонский Л.А., 2011  Томск, 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 усложне- нием функционального состава современной аппаратуры, с одной стороны, и надежностью, затратами на проектирование, произ- водство, эксплуатацию, массогабаритными показателями и энер- гопотреблением с другой стороны. Преодолеть названные проти- воречия в значительной мере позволили успехи такого научно- технического направления электроники, как микроэлектроника. К понятию «микроэлектроника» принято относить специфиче- ские методы проектирования электронных схем, конструкций и процессы производства основных изделий микроэлектроники — микросхем.

Для микроэлектроники характерен высокий уровень инте- грации (объединения) схемотехнических, конструкторских, тех- нологических решений, направленных на интенсивное производ- ство микросхем. В производстве микросхем используются груп- повые и супергрупповые технологические процессы обработки, когда на одной технологической операции одновременно обраба- тываются миллионы приборов. Именно в микроэлектронике по- лучили распространение такие термины, как «интегральная мик- росхема (ИМС)», «интегральная электроника», «интегральная технология».

Специалист, работающий в области микроэлектроники, дол- жен в равной мере владеть ее физическими, технологическими, схемотехническими основами. В свою очередь, огромное число элементов в составе микросхем обязывает к широкому примене- нию в их проектировании современных средств вычислительной техники и компьютерных технологий.

Подготовка специалистов в области проектирования изде- лий микроэлектроники представляется достаточно сложной про- блемой и, по-видимому, может рассматриваться, как многоэтап- ный процесс теоретической подготовки с накоплением практиче- ского опыта на специализированных производственных предпри- ятиях.

7

В составе многоэтапной теоретической подготовки специа- листов важное место отводится конструкторской подготовке, опирающейся на знания микросхемотехники проектируемых ИМС и возможности технологических процессов их производст- ва. Конструктор ИМС должен решать совокупность задач проек- тирования в пространстве ограничений: «параметры назначения микроэлектронных приборов и ИМС в целом — ограничения технологии — ограничения условий эксплуатации».

Образовательным стандартом специальности 210202 преду- смотрено изучение совокупности дисциплин физической, схемо- технической, технологической и конструкторской подготовки специалистов в области микроэлектроники.

Источниками теоретических сведений по конструкторскому проектированию изделий микроэлектроники являются изданные в предшествующие годы учебные пособия, основные из которых поименованы в прилагаемом списке литературы.

Проводимая коррекция образовательных стандартов специ- альности и необходимость комплексного обеспечения процесса обучения методическими материалами по дисциплине «Проекти- рование интегральных микросхем (ИМС) и микропроцессоров» определили подготовку предлагаемого учебного пособия.

В пособии предпринята попытка объединить материалы, от- носящиеся к основным положениям образовательного стандарта по дисциплине, предложить прозрачные методики выбора конст- рукций и расчета размеров электронных приборов и ИМС на би- полярных и полевых транзисторах. Рассмотрены вопросы проек- тирования, оценки показателей качества и подготовки конструк- торской документации на микросхемы и микросборки.

1.1 Термины и определения предметной области Основные термины и определения в области конструирова-

ния 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 межэ- лементные соединения которой выполнены в объеме и (или) на поверхности полупроводниковой пластины.

Пленочная ИМС — микросхема, элементы и межэлемент- ные соединения которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки.

Частными случаями пленочных ИМС являются тонкопле- ночные и толстопленочные ИМС.

Тонкопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пле- нок до 1мкм, элементы которых изготовляются преимущественно методами вакуумного распыления и осаждения.

Толстопленочные ИМС — пленочные ИМС с толщиной пле- нок 10–70 мкм, элементы которых изготовляются методами тра- фаретной печати (сеткография).

Гибридные ИМС — микросхемы, часть электрорадиоэле- ментов (ЭРЭ) которых являются компонентами.

Микросборка (МСБ)микросхема, состоящая из совокуп- ности 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 мо- жет быть выделена как самостоятельное изделие.

Компонент — часть интегральной микросхемы, реализую- щая функцию ЭРЭ, которая по конструкторской документации представляет собой самостоятельное изделие в части конструк- тивного исполнения, испытаний, сборки, монтажа.

Кристалл — часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупровод- никовой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Базовый кристалл — кристалл, в котором конструкцией пре- дусмотрена 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 функцио- нального назначения.

Плата — диэлектрическое основание со сформированными и размещенными на его поверхности элементами и компонентами.

Пластина — полупроводниковое основание, на котором од- новременно формируется совокупность кристаллов.

Корпус ИМС — часть микросхемы, предназначенная для за- щиты кристалла или платы от внешних воздействий и монтажа в конструкциях более высоких уровней конструктивной иерархии.

Серия ИМС — совокупность ИМС, выполняющих различ- ные функции, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение, совместимые электрические параметры и единые эксплуатационные показатели.

Оригинал — чертеж технологического слоя структуры ИМС, предназначенный для исполнения фотошаблона. Оригинал вы- полняется с увеличением в зависимости от размеров минималь- ных геометрических фрагментов на кристаллах и платах и допус- тимой погрешности их исполнения.

Фотошаблон — фото- (или иная) копия оригинала, выпол- ненная в масштабе от 1:1 до 1: 10 к размерам кристалла или пла- ты 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 об- щими и послойными. Используются для создания технологиче- ских оригиналов слоев.

1.2 Классификация микросхем Микросхемы принято классифицировать по следующим

признакам [1, 3]: – конструктивно-технологическому способу исполнения; – конструктивному исполнению; – по области применения;

10

– по функциональному назначению; – по степени интеграции. По конструктивно-технологическому признаку ИМС разде-

лены на три группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. К прочим относят пленочные, вакуумные, керамические, на маг- нитных материалах и др. Конструктивно-технологический при- знак отображается в системе обозначений ИМС.

По конструктивному исполнению ИМС и МСБ подразделя- ют на:

корпусированные ИМС, в которых кристаллы или платы помещены в защитный корпус;

бескорпусные, для которых функцию первичной защиты выполняет пленка органического или минерального покрытия.

По области применения принято классифицировать ИМС общего (коммерческого) применения и ИМС специального при- менения. Этот признак классификации отображается в системе обозначений ИМС. Основными отличительными показателями ИМС по данному признаку являются специализация условий эксплуатации, условий приемки готовой продукции по допускам на параметры, по надежности, по внешнему виду для ИМС спе- циального применения. Основными градациями ИМС специаль- ного применения обычно являются:

– применения в технологическом оборудовании; – применения в транспортных средствах; – применения в военной и космической технике. Изделия общего применения характеризуются наиболее

низким уровнем требований к перечисленным выше параметрам и показателям.

По функциональному назначению ИМС подразделяют на цифровые и аналоговые.

Цифровая ИМС — интегральная микросхема, предназначен- ная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. Частным вариантом цифровой мик- росхемы является логическая микросхема.

Аналоговая ИМС — интегральная микросхема, предназна- ченная для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частный вариант аналоговой

11

ИМС — микросхема с линейной амплитудной характеристикой (линейная микросхема).

Признак функционального назначения отображается в сис- теме обозначений ИМС.

Степень интеграции изделий машиностроения, и ИМС в ча- стности, определяется числом элементов, объединенных в конст- рукции изделия. Степень интеграции количественно характери- зуется коэффициентом интеграции Kи, определяемым для циф- ровых ИМС по формуле:

Kи = lg N, (1.1) где N — число ЭРЭ в конструкции ИМС.

Значение Ки округляется до целого числа по общепринятым правилам при наличии дробной части в точном значении.

Степень интеграции в обозначении ИМС не отображается, однако характеризует уровень технологии на соответствующем хронологическом этапе ее развития.

В зависимости от конструктивной и функциональной слож- ности ИМС применяются такие определения, как:

малые интегральные схемы (МИС) для совокупностей функциональных элементов с числом радиоэлементов до 100;

средние интегральные схемы (СИС) для совокупностей функциональных узлов с числом радиоэлементов до 1000;

большиеинтегральные схемы (БИС) для функциональ- ных блоков с числом радиоэлементов до 10 000;

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) для функ- циональных устройств с числом радиоэлементов более 10 000.

Конструктивная сложность ИМС зависит от примененных в ней активных приборов, схем базовых функциональных элемен- тов, вида преобразуемых сигналов. По этой причине, например, ИМС на биполярных транзисторах относят к СИС, БИС, СБИС при числе элементов N в (2–5) раз меньшем, чем принято для ИМС, выполненных на приборах структуры «металл —диэлек- трик — полупроводник» (МДП). Аналоговые ИМС относят к МИС, СИС, БИС, СБИС при числе элементов N в (3–6) раз мень- шем, чем принято для цифровых ИМС на биполярных транзисто- рах и (3–30) раз меньшем — в сравнении с цифровыми ИМС на МДП-транзисторах.

12

1.3 Обозначение ИМС Система обозначений ИМС устанавливается стандартом

ГОСТ 18672 и состоит из следующих элементов: ХХ Х ХХХ ХХ ХХ 1 2 3 4 5 В поле 1 размещаются одна-две буквы, определяющие об-

ласть применения и конструктивное исполнение, материал кор- пуса.

Буква «К» в поле 1 соответствует ИМС широкого примене- ния. Отсутствие названой буквы соответствует ИМС специально- го применения. Вторая буква в поле 1 соответствует материалу корпуса: «Р» — пластмассовый, «М» — металлокерамический.

В поле 2 размещается одна цифра, определяющая группу по конструктивно-технологическому исполнению кристаллов и плат ИМС. Предусмотрено деление на три группы со следующими обозначениями:

– цифры 1, 5, 7 — соответствуют полупроводниковым ИМС; – цифры 2, 4, 6, 8 — соответствуют гибридным ИМС; – цифра 3 — соответствует прочим ИМС (пленочные и

иные). В поле 3 размещается до трех цифр в диапазоне (000–999),

указывающих порядковый номер разработки серии ИМС. Сово- купность цифр полей 2, 3 обозначает серию ИМС.

В поле 4 размещаются две буквы, определяющие группу и вид по функциональному назначению ИМС в соответствии с таб- лицей, приведенной в ГОСТ 18672.

В поле 5 размещаются одна-две цифры или сочетание циф- ры и буквы, указывающие на отличительные признаки вариантов ИМС при совпадении группы и вида в поле 4. Присваивается из- готовителем ИМС в соответствии с техническими условиями на изделие.

Пример обозначения: КМ 555 ЛА3 — ИМС широкого при- менения (буква К) в металлокерамическом корпусе (буква — М) полупроводниковая (первая цифра 5) с номером разработки 55 (серия 555), выполняющая функцию логического элемента И-НЕ (согласно классификатору ГОСТ 18682: группа и вид — ЛА) на

13

два входа, содержащая в корпусе четыре идентичных логических элемента (спецификация исполнения 3 в поле 5 обозначения).

Для бескорпусных исполнений ИМС в поле 1 вносится бук- ва «Б» (на месте обозначения материала корпуса), а через дефис «-» выделяется поле 6, в котором одной цифрой обозначают мо- дификацию конструктивного исполнения кристаллов, плат в сле- дующем соответствии:

1 — кристаллы с гибкими выводами; 2 — кристаллы с ленточными (паучковыми) выводами

(включая на полиимидной пленке); 3 — с жесткими выводами; 4 — на общей пластине (не разделенные); 5 — разделенные без потери ориентации (накленные на ос-

нову); 6 — с контактными площадками без выводов; Пример обозначения бескорпусной микросхемы широкого

применения КБ136ЛА3-4; серии 136; с функцией 2И-НЕ; с нераз- деленными кристаллами — 4.

1.4 Конструкции и состав ИМС На рисунке 1.1 в качестве примера показан вариант конст-

рукции гибридной корпусированной ИМС. Основными состав- ными частями конструкции корпусированной ИМС являются:

– основание и крышка корпуса; – плата или кристалл ЭРЭ; – материал монтажа (соединительных швов) плат и (или)

кристаллов; – материал электромонтажа плат (кристаллов) с выводами

корпуса. Корпус микросхемы состоит из основания 6 (плата с вва-

ренными или опрессоваными выводами для внешних подключе- ний) и металлической (или диэлектрической) крышки 1. Основа- ние и крышка в процессе монтажа ИМС соединяются герметизи- рующим клеевым, паяным или сварным (в зависимости от при- мененных материалов) швом 9. На основании 6 применением клеевой связки смонтирована теплопроводящая подложка 4, на которой установлены две платы (поз.3) и два компонента (поз.2).

14

На платах 3 размещены элементы (не показаны на рис. 1.1) и с помощью клея (поз. 10) выполнен монтаж компонентов 2, 7. Кон- струкции и размеры компонентов 2, 7 различны. Электрический монтаж плат выполнен проволокой 5 сварным соединением 8 на выводах корпуса.

Рисунок 1.1

На рисунке 1.2 в качестве примера показаны два варианта

конструкций бескорпусных ИМС (поз. 1 на рис. 1.2, а, поз. 2 на рис. 1.2, б) с гибкими выводами, установленных на платы гиб- ридной схемы. Микросхемы на платах фиксируются с помощью клея. Электрический монтаж выводов выполнен пайкой или сваркой гибких выводов микросхем к контактам платы (поз. 3, рис. 1.2, а и поз. 4, рис. 1.2, б).

Представленные на рисунке 1.2 варианты конструкций ИМС отличаются исполнением защитного слоя на кристаллах. В ис- полнении (см. рис. 1.2, а) защита кристалла выполнена по всей поверхности кристалла. В конструкции ИМС, показаной на ри- сунке 1.2, б, кристалл защищен со стороны монтажа проволочных выводов. Защита ИМС выполнена с помощью слоя компаунда. На рисунке 1.2, а обозначены следующие элементы конструкции:

– защищенный компаундом кристалл 1; – проволочные выводы 2; – контактные площадки 3 монтажной платы 4; – материал связующего шва 5 (связка).

15

Рисунок 1.2

Аналогично на рисунке 1.2, б обозначены следующие со-

ставные части конструкции ИМС: – кристалл ИМС (поз. 1); – защитный слой компаунда (поз. 2); – гибкие выводы (поз. 3); – контакты монтажной платы (поз. 4); – материал шва крепления кристалла (связка) на плате (поз. 5); – монтажная плата (поз. 6) под установку ИМС. В основу конструкций кристаллов и плат ИМС положены

способы и решения, доступные планарной технологии. Одной из определяющих черт планарной технологии является ее универ- сальность. Технологический процесс формирования планарных конструкций состоит из трех повторяющихся операций (химиче- ская обработка, термическая обработка и фотолитография).

Разнообразные полупроводниковые приборы и ИМС реали- зуются в типовых технологических процессах изменением соста- ва комплекта фотошаблонов, сочетаний операций химической, термической, литографической обработки.

Планарные элементы и композиции защищаются от окру- жающей среды диэлектрической пленкой двуокиси кремния не-

16

посредственно в процессе их создания. Защитная пленка двуоки- си кремния сохраняется на всех этапах дальнейшего формирова- ния структуры элементов ИС, обеспечивая высокую стабиль- ность параметров и надежность работы ИС.

Планарная технология характеризуется большим разнообра- зием геометрических конфигураций, высокой точностью взаим- ного расположения и линейных размеров элементов.

Другой определяющей позитивной чертой планарной техно- логия является групповой метод изготовления элементов и ИМС. На одной пластине кремния одновременно изготавливаются эле- менты множества ИС. Их число зависит от диаметра пластины и площади, отведенной отдельной ИМС. После формирования эле- ментов, нанесения металлической разводки между элементами и металлических контактных площадок для присоединения внеш- них выводов корпуса ИС пластина кремния разрезается на от- дельные кристаллы, содержащие радиоэлементы одной ИС. Дальнейшая обработка каждого кристалла (сборка в корпус, при- соединения выводов) ведется индивидуально, что увеличивает стоимость процессов сборки ИС по сравнению с другими техно- логическими процессами.

Групповые методы изготовления ИС — это своего рода ин- теграция технологических процессов, т.е. объединение в едином времени технологических процессов изготовления сотен и тысяч ИС. Эти особенности технологии позволяют обеспечить уни- кальные структурные и электрические параметры ИМС, недос- тижимые для технологий производства изделий из дискретных радиоэлементов.

Конструкции ИМС реализуются в производственных усло- виях, характеризующихся исключительно высокой технологиче- ской гигиеной, использованием сложного технологического обо- рудования, особо чистых химических материалов и реактивов. По этим показателям производственные условия современных груп- повых процессов планарной технологии существенно превосхо- дят иные технологии области точного машиностроения.

Технологии групповой обработки максимально автоматизи- руются и ориентированы на производные процессы без участия человека.

17

1.5 Цели и задачи изучения дисциплины Изучение дисциплины имеет целью освоение понятий и на-

копление знаний в области конструирования микросхем, а также развития навыков выполнения комплекса инженерных работ кон- структорского проектирования микросхем и микросборок.

В проектировании микросхем, как уже отмечалось, пересе- кается множество областей знания, одной из которых является конструирование изделий. Конструирование в содержательном плане принято определять как творческий процесс выявления свойств материалов через форму и размеры проектируемого объ- екта. Для таких объектов, как микросхемы, конструктор должен уметь:

– формулировать требования на проектирование ИМС и ее элементов;

– выбирать материалы для проектируемых конструкций и соответствующие технологические процессы производства;

– выбирать формы и размеры элементов с учетом требова- ний к параметрам и ограничений технологии производства;

– синтезировать композиции элементов, размещать и со- единять их в соответствии с электрическими схемами;

– выбирать способы и проектировать защиту кристаллов и плат от дестабилизирующих воздействий;

– оценивать показатели качества ИМС; – планировать и выполнять работы формального проекти-

рования по подготовке проектной документации на ИМС с при- менением перспективных компьютерных технологий.

Перечисленные направления деятельности конструктора в основном определяют круг задач его теоретической и практиче- ской подготовки в процессе изучения дисциплины. Этим задачам посвящены методические материалы по дисциплине, включая на- стоящее пособие.

1.6 Этапы проектирования микросхем Микроэлектронный подход к проектированию и производ-

ству электронной техники позволяет сократить число объектов состава, снижать затраты по производству и эксплуатации, по-

18

вышать надежность, улучшать функциональные показатели ап- паратуры. Вследствие этого, направление проектирования и про- изводства ИМС продолжает развиваться.

Опыт организации проектирования и производства изделий точного машиностроения, и ИМС в частности, позволил вырабо- тать типовые подходы, которые нашли отражение в нормативных актах:

– производственных предприятий; – ведомств и отраслей; – государственного уровня. Важность применения типовых подходов в подготовке и со-

гласовании заданий на проектирование новых микросхем, соблю- дения определенной последовательности выполнения работ по проектированию, запуску новых изделий на производство подчер- кивается государственным уровнем стандартов в этой сфере.

Требования к составу и изложению технического задания на проектирование нового изделия установлены ГОСТ 15001. Стан- дартом ГОСТ 2103 установлены следующие стадии разработки проектной документации:

– техническое предложение (П); – эскизный проект (Э); – технический проект (Т). Последующие стадии относятся к опытно-конструкторским

работам, результатом которых является производство опытных образцов, мелких серий, серийного и массового производства с выпуском соответствующей рабочей документации.

Состав работ и отношения участников проекта на стадии «техническое предложение» регламентируются ГОСТ 2118. Ана- логично на стадиях «эскизного и технического проектов» состав работ и отношения участников регламентируются стандартами ГОСТ 2119 и ГОСТ 2120 соответственно.

Стадиями подготовки рабочей документации являются: – опытно-конструкторские работы (О); – стадия подготовки документации серийного производства (А); – стадия подготовки документации массового производства (Б). Символические обозначения стадий (П,Э,Т,О,А,Б) в доку-

ментах соответствующего проекта проставляются как литерная характеристика стадии.

19

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И КРИСТАЛЛОВ БИПОЛЯРНЫХ ИМС

2.1 Введение В полупроводниковых микросхемах в качестве активных

приборов применяются биполярные и полевые транзисторы. По определению радиоэлементы полупроводниковых микросхем размещаются в приповерхностном объеме полупроводниковой пластины или в полупроводниковой области, размещенной на ди- электрической подложке.

Приповерхностный объем характеризуется поперечным се- чением (структурой) и плоскостными областями, выделенными на поверхности пластины (топология). В структуре приповерхно- стного объема выделяются слои, отличающиеся совокупностью параметров. Со стороны поверхности пластины этим слоям при- даются определенные плоскостные (топологические) формы и размеры. Технологические процессы формирования радиоэле- ментов в приповерхностном объеме пластин связаны с формиро- ванием слоев структуры и придания им топологических форм и размеров для достижения необходимых параметров элементов.

Биполярные транзисторы получили широкое распростране- ние в современной электронике. В микроэлектронике БПТ также широко применяются, составив основу направления биполярных микросхем. Основным элементом этих микросхем является БПТ, для задания рабочих режимов которого требуются резисторы, диоды. Наиболее сложная по составу слоев структура БПТ со- держит по крайней мере два рабочих p-n-перехода (эмиттерно- базовый и коллекторно-базовый). На рисунке 2.1 показаны две структуры БПТ:

– с коллекторной областью 2, совмещенной с пластиной 4 (рис. 2.1, а);

– с коллекторной областью 2, отделенной от пластины 4 и, следовательно, от других транзисторов, расположенных на пла- стине (рис. 2.1, б).

На рисунке 2.1, а выделены эмиттерный (поз. 2), коллектор- ный (поз. 1), базовый (поз. 3) слои структур БПТ. В структуре,

20

изображенной на рисунке 2.1, б, присутствуют дополнительные границы 4, разделяющие коллекторы 1 БПТ один от другого и общего несущего основания 5. Границы 4 выполняют функцию изоляции для транзисторов и могут быть реализованы в виде p-n- перехода, неполярного диэлектрика или их сочетания. Как видно по рисунку 2.1, структура БПТ с изолированными областями коллекторов содержит не менее четырех слоев, включая несущее основание.Для исполнения изолированных диодов и резисторов требуется не более четырех слоев. Поэтому слои изолированных структур БПТ одновременно могут быть применены для испол- нения на их основе и других сопутствующих радиоэлементов ИМС. Такое решение является основным в реализации ИМС с БПТ, так как позволяет исключить дополнительное увеличение числа слоев структуры, хотя и ограничивает выбор параметров слоев для радиоэлементов значениями, принятыми для такого прибора, как БПТ.

2.2 Состав радиоэлементов БПТ ИМС В электрические схемы цифровых и аналоговых электрон-

ных устройств с БПТ входят следующие радиоэлементы: – биполярные транзисторы, резисторы, диоды, конденсато-

ры, прочие радиоэлементы. Электрические схемы, после определенной доработки, мо-

гут быть реализованы в микроэлектронном исполнении в виде микросхем. Доработка схем предполагает приведение параметров

1 1

2

3

4

аб

Рисунок 2.1 — Варианты структур БПТ

21

образующих радиоэлементов и режимов их функционирования в область значений, допустимых для исполнения радиоэлементов в виде элементов кристаллов. Если для ряда радиоэлементов дора- ботка схем не позволяет избежать значений параметров, несо- вместимых с исполнением на кристалле, то принимается решение об исполнении схемы в виде гибридной ИМС или переходе к уз- лам с печатным или объемным исполнением. Для принятия ре- шений в процессе проектирования микроэлектронной аппаратуры в подобных ситуациях необходимо знать и уметь учитывать ог- раничения на параметры радиоэлементов, выполненных по полу- проводниковой или пленочной технологии.

Резисторы исполняются в эмиттерном, базовом или коллек- торном слоях транзисторной структуры. Резисторы от других элементов схемы в кристалле изолируются p-n-переходом или, если слой коллекторный, изоляцией, принятой для изоляции кол- лекторов БПТ. Конструкция резистора представляет собой поло- су в слое, от которой с двух сторон предусмотрены отводы.

Диоды широко применяются в аналоговых и цифровых уст- ройствах в качестве функциональных элементов задания режима БПТ или выполнения функциональных преобразований цифро- вых и непрерывных сигналов. В диодах микроэлектронных кон- струкций могут использоваться от одного до трех p-n-переходов транзисторной структуры. Применяемость диодов, исполненных на одном p-n-переходе, ограничена, так как один из электродов диода должен быть совмещен с общим выводом ИМС, т.е. с не- сущим основанием (пластиной).

Конденсаторы в аналоговых устройствах, в отличие от цифровых, применяются достаточно широко. Проблемой приме- нения конденсаторов в микроэлектронных конструкциях (в ИМС в частности) является ограниченный номинал емкости микроэлек- тронных конденсаторов. В полупроводниковых ИМС (ППИМС) в качестве конденсаторов используются барьерные емкости обрат- но смещенных p-n-переходов или емкости, образованные метал- лическими пленками и слоем полупроводниковой структуры, раз- деленных слоем диэлектрика.

В таких конденсаторах конструктивно-технологические ог- раничения не допускают числа обкладок более двух, и поэтому достижимое значение емкости однозначно определяется площа-

22

дью перекрытия двух обкладок.. Площадь, отводимая в ППИМС под размещение одного конденсатора, не превышает целесооб- разные пределы (0,01–0,03) мм2. Величина удельной емкости кон- денсаторных структур в ППИМС составляет (50–200) пф/мм2. В проектировании электрических схем, особенно для цифровых ППИМС, стремятся избегать применения конденсаторов. Кон- денсаторы емкостью более (10–50) пф для ППИМС предпочти- тельно выносить за пределы кристаллов ИМС и использовать объемные компоненты в составе гибридных микросхем или иных конструкций с печатным монтажом.

Вопросам проектирования перечисленных радиоэлементов посвящены соответствующие подразделы пособия.

2.3 Материалы ИМС

2.3.1 Введение В настоящее время известны и исследованы более ста полу-

проводниковых материалов, среди которых находятся элементар- ные неорганические (монокристаллические материалы кремний и германий, поликристаллический селен), сложные (многокомпо- нентные) неорганические кристаллические и поликристалличе- ские (арсениды, фосфиды, антимониды галлия, индия, алюминия и др.), органические (молекулярные кристаллы, полимерные и т.п.), ферриты (сплавы окиси железа с окислами других метал- лов), стеклообразные аморфные вещества.

Полупроводниковые ИМС изготавливаются преимущест- венно на основе кремния, который выделяется в ряду множества материалов благодаря уникальному сочетанию ширины запре- щенной зоны, отличных маскирующих свойств и стабильности технологичного окисла SiO2, больших природных запасов сырья. Тем не менее монополия кремния, установившаяся с начала 60-х годов прошлого столетия в производстве ИМС нарушена арсени- дом галлия (GaAs), на основе которого созданы сверхбыстродей- ствующие БИС, функционирующие со временем переключения пикосекундного диапазона. Применение арсенида галлия в про- изводстве ИМС длительное время сдерживалось несовершенст-

23

вом маскирующих литографических структур, применяемых при формировании топологических конфигураций элементов ИМС, и относительно высокой стоимостью материала. В современной микроэлектронике арсенид галлия, благодаря высокой подвижно- сти электронов (в пять раз превышает этот параметр в кремнии), повышенному значению ширины запрещенной зоны (на 30 % превышает показатель для кремния) и технологическим достиже- ниям в области избирательного формирования топологических рисунков слоев ИМС, получает все более широкое распростране- ние у разработчиков сверхбыстродействующих микросхем, функционирующих при повышенных температурах и уровнях облучения.

Далее приводятся основные сведения по двум полупровод- никовым материалам: кремнию и арсениду галлия.

2.3.2 Кристаллические материалы ИМС Свойства кристаллических нелегированных полупроводни-

ков, применяемых в производстве ИМС, приведены в табл. 2.1. Таблица 2.1 — Параметры кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs)

Наименование параметра Si GaAs

Атомный номер Атомная масса, 1022 см–3 Диэлектрическая проницаемость Постоянная решетки, нм Температурный коэффициент ширины запрещенной зоны, 10–4 эВ/град. Коэффициент изменения ширины запрещенной зоны по гидростатическому сжатию, 10–6, эВ/(атм.) Температура плавления, град. Коэффициент теплопроводности, дж/грамм·град. Коэффициент линейного расширения, 10–6 град.–1 Эффективная масса электронов, отн.ед. Эффективная масса дырок, отн.ед. Сжимаемость, 10–11 Па–1 При 300˚ С Ширина запрещенной зоны, эВ Эффективная плотность состояний Nc, см–3

14 28

11,7 54

–4,1

–2,4 1420 1,42 6,9 0,33 0,55 1,02

1,11

2,8⋅1019

144,6 10,9 56

–5,0

+12,6 520 0,37 5,6 0,07 0,50 1,32

1,43

24

Наименование параметра Si GaAs

Эффективная плотность состояний Nv, см–3 Подвижность электронов, см2/В сек Подвижность дырок, см2/В сек Собственное удельное сопротивление, Ом⋅см Собственная концентрация носителей заряда, см–3

1⋅1019 1400 500

2⋅105 1,5⋅1010

11000

450 1,5⋅106

1,5⋅106

Для управления свойствами кремний легируют акцептор-

ными или донорными примесями. В качестве донорной примеси в кремнии применяются атомы фосфора, мышьяка, сурьмы, а в качестве акцепторной примеси — атомы бора. Предельные уров- ни легирования кремния ограничены сверху уровнем предельной растворимости примеси в полупроводнике, который зависит от температуры. Максимальные значения предельной растворимости примесей в кремнии от температуры приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 — Максимальные уровни легирования кремния примесями

Примесь Мышьяк As

Фосфор P

Бор B

Сурьма Sb

Концентрация примеси см–3

20·1020 1150 °С

13·1020

1150 °С 5·1020

1200 °С 0.6·1020 1300 °С

Окончание табл. 2.1

Рисунок 2.2

комментарии (0)

Здесь пока нет комментариев

Ваш комментарий может быть первым

Это только предварительный просмотр

3 страница на 255 страницах

Скачать документ