Vorlesung Integration Mikrolelektronischer Schaltungen Wintersemester 20011/12

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1 Vorlesung Integration Mikrolelektronischer Schaltungen Wintersemester 20011/12 Umfang: 15 Vorlesungen/Übungen mit 2 Semesterwochenstunden Zeit/Ort: Dienstag: Uhr Raum Lehrbeauftragter: Dr.-Ing. Lutz Porombka Telefon: geschäftlich mobil Folie1 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

2 Zur Person Was macht CREATIVE CHIPS? Design von analogen, digitalen & mixed-signal IC s Prototypen- und Serienfertigung durch ausgewählte, zertifizierte Halbleiterhersteller IC-Test auf dem Wafer (CP) und Verpackung bei qualifizierten Subunternehmen 100% Endtest (FT) im eigenen Haus und Serienlieferung an den Kunden Folie2 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

3 CC microelectronis in Bingen! 1. Praktika/Master(Diplom)arbeiten: Interessierte Studenten sind jederzeit willkommen, bitte nach Möglichkeiten erfragen! 2. Studentische Mitarbeit an konkreten Entwicklungsvorhaben Entwicklung, Layout und Test von analogen Bibliothekszellen Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme von Testgeräten für ASICs/ASSP s 3. Entwicklungsingenieur bei ASIC Design Ingenieur Analoge & digitale Schaltungsentwicklung Entwicklung von digitalen Schaltungen mittel HDL(Verilog, VHDL) Arbeit mit modernen CAE tools auf Windows und Unix Workstations Layout Design Ingenieur Handlayout von analogen Schaltungsteilen Automatisch Place & Route von Digitalblöcken Layoutverifikation, DRC, LVS Arbeit mit modernen CAE tools auf Windows und Unix Workstations Folie3 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

4 Allgemeines Vorlesung Script wird auf dem Server der FH-Bingen in elektronischer Form abschnittsweise zur Verfügung gestellt. Zugang: Script enthält z.t. mehr Stoff als die Vorlesung ( als Referenz) Zusätzliche Erläuterungen etc. an der Tafel Übungsbeispiel sind in Vorlesung eingebettet Hausarbeit Nachbereitung der Vorlesung (Fragen????) Vorbereitung von praktischen Designbeispielen!!! Klausur Dauer 90 min. Aufgabenteil (80 min/70% ergebniswirksam)) Multiple Choice Teil (10 min/ 30% ergebniswirksam) Terminfestlegung!!? Folie4 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

5 Voraussetzungen & Ziele Voraussetzungen: Elektrotechnische Grundlagen Kenntnisse der Funktion elektronischer Bauelemente (ELBA) Kenntnisse analoger & digitaler Schaltungstechnik Kenntnisse von Programmiersprachen & zugehöriger Arbeitstechniken Ziele: Einführung und Überblick über Technik & Technologie Integrierter Schaltungen Vorstellung moderner Entwicklungsansätze für integrierte Schaltungen Einführung in Hardwarebeschreibungssprachen mit Vertiefung in VERILOG Ausführung eines FPGA basierten Designbeispiels Folie5 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

6 Empfohlene (weiterführende) Literatur P. GRAY, P.Hurst, S.Lewis, R.G. Meyer: Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons 2001, ISBN R.J.Baker, H.W.Li, D.E.Boyce: CMOS, IEEE Press 1998, ISBN U. Golze: VLSI Chip Design with VERILOG, Springer Verlag 1996 ISBN S. Palnitkar: VERILOG HDL, SunSoft Press 1996, ISBN Folie6 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

7 Gliederung (1) Gliederung der Lehrveranstaltung IMES 1. Übersicht und Einführung (1 LV) 1. Geschichte, Motivation, Grundlegende Gesetzmäßigkeiten 2. Fertigungstechniken von integrierten Schaltungen (2 LV) 1. Bearbeitungsschritte ( Lithograpie, Diffusion, Implantation, Abscheidungs- & Ätzprozesse 2. Basistechnologien (Bipolar, CMOS, BiCMOS) 3. Integrationstechniken ( PLD, FPGA, Gatearray, Standardzelle, Full Custom IC) 3. Entwicklung (Design) von integrierten Schaltungen (2 LV) 1. Grundelemente 1. Schematic Capture, 2. Simulation analog & digital 3. Layout manuell & automatisiert 4. Verifikation 2. FPGA gestützter Designflow Folie7 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

8 Gliederung (2) 4. Elemente des Logik Entwurfs (5 LV) 1. Beschreibung und Entwurf von Automaten (FSM s) 2. Synchrone und asynchrone Logik 3. Das Timing Problem bei synchroner Logic 5. Hardwarebeschreibungssprachen (HDL) Konzepte (5 LV) 1. Einführung in VERILOG (Struktur, Syntax, Sprachelemente) 2. Beliebte Fehler - Coding Style Guide 3. Praktisches Design Beispiel mit Umsetzung auf FPGA Board Folie8 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

9 Was ist Mikroelektronik? Folie9 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

10 Was ist Mikroelektronik? Fakten: ~ 2% aller Chips sind Prozessoren 6.5 Milliarden Prozessoren ~ 3% sind Speicher IC s ~ 40 % aller BE sind in PC s ~ 65 % Digitale IC s ( ) ~ 23% Analoge IC s und Sensoren ( ) Computer sind die Zugpferde der Halbleiterindustrie Quelle: WSTS 02 Folie10 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

11 Geschichte der Mikroelektronik (1) Geschichte des Computers (System) Mechanische Rechenwerke 1642, Pascal : Zählrad Rechner for(+, -) 1671, Leibniz : Counter Wheel for(+, -) and Chain & Pulley for( ) 1823, Babbage : Difference Engine for Table Construction using Finite Difference 1834, Babbage : Analytical Engine performing four operations, conditional branch. Mill (ALU) data Store (Counter Wheels) Card Punch instructions Operation Cards (+, -, ) Variable Cards Program Folie11 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

12 Geschichte der Mikroelektronik (2) Elektromechanische Rechner (Relais & Zählräder) 1941, Zuse : Erster funktionsfähiger Universalrechner 1944, Aiken : Harvard Mark I (3s für eine 10 Digit Multiplikation) Elektronische Rechner (Elektronenröhren) , Maughly & Eckert : ENIAC (Ballistische Berechnungen) 18,000 Röhren, 30 Tonnen(!!!) Dezimalrechner verwendete one hot coding Problem: Zuverlässigkeit, Leistungsaufnahme (10 Röhren pro Digit) Folie12 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

13 Geschichte der Mikroelektronik (3) Bauelemente der Mikroelektronik Bipolarer Transistor vor 1947 : Halbleiter werden nur für Thermistoren, Photodioden und Gleichrichter verwendet 1948 Bardeen & Brattain : Spitzen Transistor 1949 Schockley : Theorie von Sperrschicht diode und Bipolar Junction Transistor(BJT) veröffentlicht MOSFET (IGFET, MISFET) 1927 Lilienfeld & Heil : Funktionsprinzip ( Deutsches Reichspatent) 1960 Kahng & Atalla : Erste Demonstration eines MOSFET (Silicon planar process) Logik Gatter: 1956 Harris : Bipolar digital Logic Gatter 1960 Fairchild, Inc : Erste kommerzielle Logik IC (Fairchild Micrologic) 1962 Beeson : TTL (Transistor-Transistor Logic) 1972 Hart : I 2 L(Integrated-Injection Logic) 1974 Masaki : ECL(Emitter-Coupled Logic) Folie13 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

14 Geschichte der Mikroelektronik (4) Komplexe integrierte Schaltungen Mikroprozessoren und Speicher 1971 Intel 4004 Mikroprocessor 2300 Transistoren, 10µm PMOS process, 108 khz Clock Folie14 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

15 Geschichte der Mikroelektronik (5) 1974 Intel Transistoren, 6µm NMOS process, 2 MHz Clock 1970 Hoff/Intel : 4 kbit MOS Speicher ( SRAM) Intel 8080 Folie15 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

16 Geschichte der Mikroelektronik (6) Folie16 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

17 Geschichte der Mikroelektronik (7) CMOS Heute dominierende Prozeßtechnologie 1962 Weimer Patent CMOS Flip-Flop (1962 angemeldet) 1965 Wanlass (Fairchild) Patent CMOS Konzept, Inverter, NAND und NOR Gatter CMOS anfangs nur für Low Power Applikationen genutzt wie Armbanduhren, da zu teuer und kompliziert Ab 1990 CMOS wird zur marktbeherrschenden Technik Performance (Clockfrequenzen, Skalierung) Verlustleistungsproblem Timingproblem Signal Integrity Problem Andere Techniken : BiCMOS, GaAs, SiGe, Superconducting, etc. Folie17 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

18 Motivation & Trends in der Mikroelektronik (1) Halbleiter (IC) Technologie: Leistungsfähigkeit von CPU`s : Speicherdichte: 100 x schneller in 10 Jahren 4 x dichter in (je) 3 Jahren Integration von mehr Intelligenz u.a. in folgende Bereiche: Auto: Von anspruchsvoller Mechanik zu einem komplexen System mit verschiedensten Steuerungen, Infotainment und Kommunikation. Gebäudetechnik: Vom Betonbauwerk zu einem komplexen System mit verschiedensten Steuerungen, Infotainment und Kommunikation. Menschen : Personen werden zunehmend mit Elektronik verschiedenster Art ausgestattet. Von Electronic personal care über Kommunikation, Computing bis zum Menschlichen Netzwerk Folie18 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

19 Motivation & Trends in der Mikroelektronik (1) Der Wert eines Produktes wird heute vorrangig über neue Ideen, nicht über Masse oder Energie definiert. Masse Ideen Energie Spezifischer Kraftstoffverbrauch eines Kraftfahrzeuges vor 50 Jahren 1Km/liter Heute : 20Km/liter Batterietechnik: 5-8 fache Verbesserung in 200 Jahren Vor 200 Jahren : 25 Wh/kg (Blei) Vor 30 Jahren : 50 Wh/kg (NiCd) 125 W.H/Kg (Alkaline) Heute : 200 Wh/kg (Lithium Polymer) Folie19 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

20 Motivation & Trends in der Mikroelektronik (2) Trend zu mehr Intelligenz ist heute überall spürbar: Halbleiter (IC) Technologie: Leistungsfähigkeit von CPU`s : Speicherdichte: 100 x schneller in 10 Jahren 4 x dichter in (je) 3 Jahren Fahrzeuge : Von reinen mechnischen Konstruktionen zu einem System mit unzähligen Kontrollmechanismen, Computern und mobiler Kommunikation Bauwerke: Von Betonklotz zu einem System mit unzähligen Kontrollsystemen (bis hin zu baubezogenen Komponenten) mit integrierter Kommunikation Menschen: Mobiles Monitoring, Computing, Mobile Kommunikation, Wireless human body network Intelligent Dust Folie20 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

21 Motivation & Trends in der Mikroelektronik (3) Folie21 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

22 Digitales Applikationsspezifisches IC (ASIC) 1998 Erste monolitisch integrierte Schaltung (1961) 27 embedded RAMs, 90 multipliers, k gates Folie22 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

23 MOORE s LAW (1) MOORE s LAW (1965) Gordon Moore (Fairchild/Intel) Exponentielles Wachstum des Integrationsgrades: Verdoppelung der Transistorfunktionen pro Chip alle 18 Monate Gordon Moore ( 1965): Integrierte Schaltungen werden zu solchen Wundern führen wie Homecomputer, automatische Steuerungen von Autos und transportable Telefone... Folie23 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

24 MOORE s LAW (1) Folie24 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

25 MOORE s LAW (3) Folie25 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

26 MOORE s LAW (4) Folie26 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

27 Folie27 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

28 Folie28 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

29 Folie29 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

30 Folie30 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

31 Folie31 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

32 1997 SIA Technology Roadmap Semiconductor Industry Association initiative version 1992, 1994 & 1997 Ziel: Definition von Zielen für die zukünftige Arbeit aller am Halbleiterherstellungsprozeß Beteiligter (Gerätehersteller, Medien (Matrial)Versorger, Prozeßingenieure, CAD & Testexperten ) um den Wachstum entsprechend MOORE s LAW aufrecht zu erhalten. Sieben Arbeitsgruppen (TGW) Design & Test Process Integration, Device & Structures Front End Process Lithography Interconnect Factory Integration Assembly & Packaging Themenübergreifende Gruppen ESH(Environment, Safety and Health) Defect reduction Metrology Modeling & Simulation Folie32 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

33 Größte Herausforderungen Fähigkeit Strukturgrößen weiter nach MOORE zu skalieren (Neue Materialien, Techniken, Verfahrensweisen erforderlich ) Photolithographie für Strukturen < 100nm Es gibt keine Materialen die für λ <= 193nm transparent sind. völlig neue Verfahrensweisen notwendig Neue Materialien Hochleitende Verbindungstechnik(Kupfer) Neue Dielektika (geringe Leckströme, kleines έ) Stabiles Kontaktmaterial Betrieb im GHz Bereich 10 GHz : λ = 3cm vergleichbar mit Chipabmessung (!) Prozesskontrolle und Test Neue Entwicklungsmethoden (infolge der erhöhten Komplexität) Folie33 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

34 Fertigungskette (1) Silicon Wafer Chip Device Printed Circuit Board Folie34 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

35 Fertigungskette (2) Printed Circuit Board Original Equipment Manufacturer s End Product Folie35 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

36 Computer PCB Board IC ( Chip ) Module Transistor Modell Gatter Zelle Folie36 Vorlesung Integration Mikroelektronischer Schaltungen Oktober 2011

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