Großintegrationstechnik TeiM: Vom Transistor zur Grundschaltung von Prof. Dr.-Ing. Karl Goser Hüthig Buch Verlag Heidelberg
INHALTSVERZEICHNIS u:? -- t 0. Einführung l 0.1 Die Mikroelektronik als Basisinnovation 1 0.2 Die Entwicklung zur Integrationstechnik 2 0.2.1 Integrationstechnik 4 0.3 Die Großintegrationstechnik: Vom Transistor zum System 10 0.3.1 Arbeitswelt des Entwurfes und der Fertigung 13 0.3.2 Integration des Wissens 15 0.4 Einfaches Modell des MOS-Transistors und seine Grenzen 16 0.4.1 Einfaches Transistormodell 18 0.4.2 Inverter als Grundschaltung 2 3 0.4.3 Grenzen des einfachen Modells 27 1. Physikalische Eigenschaften der Grundelemente 28 1.1 Das Halbleiter-Material 29 1.1.1. Bändermodell 29 1.1.2 Dotierte Halbleiter 32 1.1.3 Leitfähigkeit 35 1.1.4 Generation, Rekombination, Speicherung an Haftstellen 37 1.2 PN-Übergang und Metall-Halbleiter-Übergang 38 1.2.1 PN-Übergänge in integrierten Bauelementen 38 1.2.2 Elektrisches Verhalten eines PN-Überganges 39 1.2.3 Durchbruchverhalten des PN-Überganges 44 1.2.4 Metall-Halbleiter-Übergang 45 1.3 Silizium-Oberfläche mit Oxidschicht 48 1.3.1 Öberflächendotierung 48 1.3.2 Ladungen und Haftstellen im Oxid 49 1.4 MOS-Struktur 50 1.4.1 Aufbau und Verhalten 50 1.4.2 Kapazität des MOS-Kondensators 52
2. Schaltungaelemete der Integrationstechnik 55 2.1 Kondensatoren 57 2.1.1 Ausführungsformen von integrierten Kondensatoren 57 2.1.2 Bändermodell des MOS-Kondensators 58 2.1.3 Kapaz itätsberechnung 61 2.1.4 Flachbandfall und Inversionsbeginn 67 2.2 Transistoren 72 2.2.1 Überblick 72 2.2.2 Erweitertes einfaches Transistormodell 75 2.2.3 Verbesserte Theorie für die Schwellenspannung 82 2.2.4 Eigenschaltverhalten 89 2.2.5 Innerer und äußerer Transistor 95 2.2.6 CAD-Modelle 99 2.3 Widerstände 100 2.3.1 Integrierte Schichtwiderstände 100 2.3.2 MOS-Transistor als Widerstand 101 2.4 Leitungen 102 2.4.1 Widerstandsbelag 102 2.4.2 Kapazitätsbelag 102 2.4.3 Einschaltvorgang 104 3. MOB-Technologien 106 3.1 Übersicht 106 3.1.1 Vom Silizium zur integrierten Schaltung 106 3.1.2 Planartechnik 110 3.2 Prozeßschritte 112 3.2.1 Grundmaterial 112 3.2.2 Reinigen der Scheiben 112 3.2.3 Aufbringen einer Oxidschicht 113 3.2.4 Fototechnik 115 3.2.5 Dotieren 118 3.2.6 Metallisierung 125 3.2.7 Zerteilen der Scheiben 125 3.3 Prozefilinien 125 3.3.1 PMOS-Al-Gate-Prozeß 125 3.3.2 NMOS-Si-Gate-Prozeß 129 3.3.3 CMOS-Si-Gate-Prozeß 137
3.4 Prozeßweiterentwicklungen 140 3.4.1 Transistoren kurzer Kanallänge 141 3.4.2 Oxidisolation 143 3.4.3 Transistoren auf isolierendem Substrat 146 3.4.4 Vertikale Integration 149 4. Inverter als Grundschaltung 150 4.1 Inverterarten 151 4.2 Statisches Verhalten 153 4.2.1 Übertragungskennlinie 153 4.2.2 Restspannung 154 4.2.3 Ruheverlustleistung 157 4.3 Schaltverhalten 157 4.3.1 Ersatzschaltbild 157 4.3.2 Anstiegszeit 160 4.3.3 Abfallzeit 162 4.3.4 Frequenz eines Ringoszillators 164 4.3.5 Betriebsverlustleistung 166 4.4 Störsicherheit 169 4.5 Inverter in dynamischer Technik 171 4.6 Inverter als Verstärker 172 4.7 Parasitäre Effekte 174 4.7.1 Parasitärer Bipolar-Effekt 175 4.7.2 Latch-up-Effekt 176 4.8 Inverter zur Technologiebeurteilung 177 4.8.1 Frequenz-Verlustleistungs-Diagramm 178 4.8.2 Verzögerungszeit-Verlustleistungs-Diagramm 178 4.8.3 Gütezahl 179 5. Entwurf von Grundschaltungen 181 5.1 Vom Logikplan zur integrierten Schaltung 181 5.2 Entwurfsunterlagen 184 5.2.1 Auswahl einer Prozeßlinie 184 5.2.2 Elektrische Entwurfsunterlagen 184 5.2.3 Geometrische Entwurfsunterlagen 186 5.3 Entwurfsbeispiele 198 5.3.1 Inverter 198 5.3.2 Weitere Grundschaltungen 203
5.4 Entwurfsoptimierung 207 5.4.1 Entwurfsstrategie 207 5.4.2 Integrationsgerechter Schaltungsentwurf 208 5.5 Rechnerunterstützung 213 5.5.1 Schaltungssimulation 213 5.5.2 Layout-Programme 215 5.5.3 Symbolischer Layout 216 5.6 Chip-Peripherie 218 5.6.1 Anschlüsse und Schaltungsrahmen 218 5.6.2 Schutzstrukturen 218 6. MOS-Grundschaltungen 221 6.1 Klassifizierung 221 6.2 Treiber-Stufen 223 6.2.1 Inverterkette als Treiber 224 6.2.2 Treiberschaltungen 226 6.2.3 Vorspannungsgenerator 228 6.3 Transfer-Elemente 231 6.3.1 Aufbau von Transfer-Elementen 231 6.3.2 Multiplexer 232 6.4 Logik-Gatter 233 6.4.1 Einfache Gatter 233 6.4.2 Positive und negative Logik 239 6.4.3 Tri-State-Treiber 240 6.4.4 Komplex-Gatter 241 6.5 Speicherschaltungen 243 6.5.1 Bistabile Kippstufen 243 6.5.2 Schieberegisterstufen 252 6.6 Schaltungen in dynamischer Technik 254 6.6.1 Dynamische Speicherzellen 254 6.6.2 Dynamische Schieberegisterstufen 256 6.6.3 Logik-Gatter in dynamischer Technik 261 6.6.4 Domino-Technik 262 7. Funktional integrierte Grundschaltungen 266 7.1 Nichtflüchtige Speicherzellen 266 7.1.1 Fuse- und Antifuse-Technik 266 7.1.2 Speichertransistor mit Doppel-Gate 268 7.1.3 Speichertransistor mit Isolatordoppelschicht 271
7.2 Eimerkettenstufen 274 7.2.1 Aufbau und Funktionsweise einer Stufe 275 7.2.2 Verstärker nach dem BBD-Prinzip 278 7.3 Ladungsverschiebeelemente 280 7.3.1 Aufbau und Funktionsweise eines Elementes 281 7.3.2 Eingangs- und Ausgangsstufen 291 7.3.3 CCD-Resonator 295 7.3.4 CCD's als Foto-Sensoren 298 7.3.5 Nichtflüchtige CCD-Speicherzellen 299 8. Schnelle FET-Grundschaltungen 302 8.1 GaAs-Technik 302 8.1.1 Materialeigenschaften von GaAs 302 8.1.2 MESFET-Technologie 303 8.1.3 Bandstruktur-Elemente 306 8.1.4 GaAs-Grundschaltungen 308 8.2 Sub-fim-Schaltungen 310 8.2.1 Prinzip der ähnlichen Verkleinerung 310 8.2.2 Probleme bei der ähnlichen Verkleinerung 313 9. Bipolar-Technik 314 9.1 Bipolare Schaltungselemente 316 9.1.1 Bipolar-Transistor 316 9.1.2 Vergleich zwischen Bipolar- und MOS-Transistor 318 9.1.3 Dioden, Kondensatoren und Widerstände 320 9.2 Bipolar-Technologie 321 9.2.1 Standard-Technologie 321 9.2.2 Oxidisolations-Technologie 327 9.2.3 BICMOS-Technologie 330 9.3 Bipolar-Logik-Schaltungen 332 9.3.1 Inverterschaltung 332 9.3.2 Logik-Gatter 339 9.3.3 Integrated Injection Logic 345 9.3.4 BICMOS-Grundschaltungen 351
9.4 Bipolare Speicherzellen 352 9.4.1 Multi-Emitter-Zelle 352 9.4.2 Zelle mit Diodenkopplung 353 9.4.3 Zelle mit Pinch-Widerständen 354 9.4.4 Nur-Transistor-Zelle 355 Li teraturhinwei se 357 Verzeichnis der verwendeten Symbole 361 Stichwortverzeichnis 365