Großintegrationstechnik

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1 Großintegrationstechnik TeiM: Vom Transistor zur Grundschaltung von Prof. Dr.-Ing. Karl Goser Hüthig Buch Verlag Heidelberg

2 INHALTSVERZEICHNIS u:? -- t 0. Einführung l 0.1 Die Mikroelektronik als Basisinnovation Die Entwicklung zur Integrationstechnik Integrationstechnik Die Großintegrationstechnik: Vom Transistor zum System Arbeitswelt des Entwurfes und der Fertigung Integration des Wissens Einfaches Modell des MOS-Transistors und seine Grenzen Einfaches Transistormodell Inverter als Grundschaltung Grenzen des einfachen Modells Physikalische Eigenschaften der Grundelemente Das Halbleiter-Material Bändermodell Dotierte Halbleiter Leitfähigkeit Generation, Rekombination, Speicherung an Haftstellen PN-Übergang und Metall-Halbleiter-Übergang PN-Übergänge in integrierten Bauelementen Elektrisches Verhalten eines PN-Überganges Durchbruchverhalten des PN-Überganges Metall-Halbleiter-Übergang Silizium-Oberfläche mit Oxidschicht Öberflächendotierung Ladungen und Haftstellen im Oxid MOS-Struktur Aufbau und Verhalten Kapazität des MOS-Kondensators 52

3 2. Schaltungaelemete der Integrationstechnik Kondensatoren Ausführungsformen von integrierten Kondensatoren Bändermodell des MOS-Kondensators Kapaz itätsberechnung Flachbandfall und Inversionsbeginn Transistoren Überblick Erweitertes einfaches Transistormodell Verbesserte Theorie für die Schwellenspannung Eigenschaltverhalten Innerer und äußerer Transistor CAD-Modelle Widerstände Integrierte Schichtwiderstände MOS-Transistor als Widerstand Leitungen Widerstandsbelag Kapazitätsbelag Einschaltvorgang MOB-Technologien Übersicht Vom Silizium zur integrierten Schaltung Planartechnik Prozeßschritte Grundmaterial Reinigen der Scheiben Aufbringen einer Oxidschicht Fototechnik Dotieren Metallisierung Zerteilen der Scheiben Prozefilinien PMOS-Al-Gate-Prozeß NMOS-Si-Gate-Prozeß CMOS-Si-Gate-Prozeß 137

4 3.4 Prozeßweiterentwicklungen Transistoren kurzer Kanallänge Oxidisolation Transistoren auf isolierendem Substrat Vertikale Integration Inverter als Grundschaltung Inverterarten Statisches Verhalten Übertragungskennlinie Restspannung Ruheverlustleistung Schaltverhalten Ersatzschaltbild Anstiegszeit Abfallzeit Frequenz eines Ringoszillators Betriebsverlustleistung Störsicherheit Inverter in dynamischer Technik Inverter als Verstärker Parasitäre Effekte Parasitärer Bipolar-Effekt Latch-up-Effekt Inverter zur Technologiebeurteilung Frequenz-Verlustleistungs-Diagramm Verzögerungszeit-Verlustleistungs-Diagramm Gütezahl Entwurf von Grundschaltungen Vom Logikplan zur integrierten Schaltung Entwurfsunterlagen Auswahl einer Prozeßlinie Elektrische Entwurfsunterlagen Geometrische Entwurfsunterlagen Entwurfsbeispiele Inverter Weitere Grundschaltungen 203

5 5.4 Entwurfsoptimierung Entwurfsstrategie Integrationsgerechter Schaltungsentwurf Rechnerunterstützung Schaltungssimulation Layout-Programme Symbolischer Layout Chip-Peripherie Anschlüsse und Schaltungsrahmen Schutzstrukturen MOS-Grundschaltungen Klassifizierung Treiber-Stufen Inverterkette als Treiber Treiberschaltungen Vorspannungsgenerator Transfer-Elemente Aufbau von Transfer-Elementen Multiplexer Logik-Gatter Einfache Gatter Positive und negative Logik Tri-State-Treiber Komplex-Gatter Speicherschaltungen Bistabile Kippstufen Schieberegisterstufen Schaltungen in dynamischer Technik Dynamische Speicherzellen Dynamische Schieberegisterstufen Logik-Gatter in dynamischer Technik Domino-Technik Funktional integrierte Grundschaltungen Nichtflüchtige Speicherzellen Fuse- und Antifuse-Technik Speichertransistor mit Doppel-Gate Speichertransistor mit Isolatordoppelschicht 271

6 7.2 Eimerkettenstufen Aufbau und Funktionsweise einer Stufe Verstärker nach dem BBD-Prinzip Ladungsverschiebeelemente Aufbau und Funktionsweise eines Elementes Eingangs- und Ausgangsstufen CCD-Resonator CCD's als Foto-Sensoren Nichtflüchtige CCD-Speicherzellen Schnelle FET-Grundschaltungen GaAs-Technik Materialeigenschaften von GaAs MESFET-Technologie Bandstruktur-Elemente GaAs-Grundschaltungen Sub-fim-Schaltungen Prinzip der ähnlichen Verkleinerung Probleme bei der ähnlichen Verkleinerung Bipolar-Technik Bipolare Schaltungselemente Bipolar-Transistor Vergleich zwischen Bipolar- und MOS-Transistor Dioden, Kondensatoren und Widerstände Bipolar-Technologie Standard-Technologie Oxidisolations-Technologie BICMOS-Technologie Bipolar-Logik-Schaltungen Inverterschaltung Logik-Gatter Integrated Injection Logic BICMOS-Grundschaltungen 351

7 9.4 Bipolare Speicherzellen Multi-Emitter-Zelle Zelle mit Diodenkopplung Zelle mit Pinch-Widerständen Nur-Transistor-Zelle 355 Li teraturhinwei se 357 Verzeichnis der verwendeten Symbole 361 Stichwortverzeichnis 365