Топология и структура интегральных микросхем: Методические указания и контрольные задания

Министерство образования Российской Федерации

Уральский  государственный  технический  университет

ТОПОЛОГИЯ  И  СТРУКТУРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ  МИКРОСХЕМ

Методические указания и контрольные задания

по курсу  "Электроника и микроэлектроника"

для студентов всех форм обучения

радиотехнических  специальностей

Екатеринбург    1998

УДК 621.38

Составитель  Б.В.Семенов

Научный редактор доц., канд.техн.наук С.Т.Князев

ТОПОЛОГИЯ И СТРУКТУРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ. Методические указания и контрольные задания по курсу "Электроника и микроэлектроника" / Б.В.Семенов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ,  1998. 26 с.

Методический материал является учебным пособием и предназначен для закрепления знаний студентов при изучении  дисциплины “Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника”. В пособии включены разделы программы курса  “Интегральные микросхемы”, “Конструктивные особенности интегральных микросхем”, “Элементы интегральных микросхем”. Рассмотрены конструктивные особенности интегральных микросхем, структуры элементов полупроводниковых интегральных микросхем, основные особенности топологии этих микросхем. Приведены контрольные вопросы, а также указана основная учебная литература.

Учебное пособие предназначено для студентов очной, вечерней и заочной формы обучения.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 18. Табл. 4.

Подготовлено кафедрой "Радиопередающие устройства".

                                                                   ©   Уральский   государственный

                                                                          технический университет, 1998
ТОПОЛОГИЯ И СТРУКТУРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ

МИКРОСХЕМ

Цель работы :  изучение топологии и структуры полупроводниковых интегральных микросхем на основе биполярных  и  МДП  транзисторов, изучение структуры элементов таких  микросхем.

1. Теоретическая часть

1.1. Основные определения

Интегральной микросхемой ( ИМС или просто ИС ) называется совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов ( транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и т.д.), изготовленная в едином технологическом цикле (т.е. одновременно ), на одной и той же несущей конструкции — подложке —  и   выполняющая определенную функцию преобразования информации.

         Компоненты, которые органически входят в состав ИС и тем самым не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, называются интегральными элементами (элементами ИС).

         Кроме интегральных элементов, которые имеют аналоги в дискретной электронике, в состав ИС могут входить функциональные компоненты, не имеющие физического подобия с общепринятыми цепями. Функциональные компоненты используют различные явления в твердых телах и жидкостях (например, оптоэлектронные явления в твердых полупроводниках, электролиз в жидких электролитах, акустоэлектронные явления в пьезокристаллах, распространение тепла, доменные свойства полупроводников — эффект Ганна, магнитные свойства твердых тел, эффект Холла и т.д.). Использование части перечисленных выше возможностей уже привело к соединению ряда  микроэлектронных функциональных компонентов (оптроны, электрохимические интеграторы, генераторы Ганна). Однако развитие техники функциональных компонентов в полном объеме является все же делом будущего, поэтому в данной работе ограничимся рассмотрением интегральных схем на обычных интегральных компонентах.

1.2. Классификация интегральных схем

         Одним из признаков классификации ИС является степень сложности.  Для такого рода классификации ГОСТ 17021-88  рекомендованы следующие термины и определения.

         Степень интеграции ИС — показатель сложности, который вычисляют по формуле

К = lgN,                                                       (1)

где К — коэффициент, определяющий степень интеграции, значение которого округляют до ближайшего целого числа; N — число элементов ИС (элемент ИС — часть ИС, реализующая функции какого-либо радиоэлемента, выполненная нераздельно от кристалла или подложки и которая не может быть выделена в самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации).

         Интегральная микросхема К-й степени интеграции — ИС, содержащая от  10К-1  до  10К  элементов.

         Малая интегральная схема (МИС) — ИС, содержащая до 100 элементов и компонентов на кристалл. Зарубежная аббревиатура  — SSI — Small Scale Integration).

         Средняя интегральная схема (СИС) — ИС, содержащая от 100 до 1000 элементов и компонентов на кристалл для цифровых ИС и от 100 до 1000 элементов и компонентов для аналоговых ИС. Зарубежная аббревиатура — MSI — Medium SI.

         Большая интегральная схема (БИС) — ИС, содержащая свыше 1000 элементов и компонентов для цифровых ИС и свыше 500 элементов и компонентов для аналоговых ИС. Зарубежная аббревиатура. LSI — Large SI.

         Сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — ИС, содержащая свыше 100000 элементов и компонентов для цифровых ИС с регулярной (однородной структурой), свыше 50000 — для цифровых ИС с нерегулярной структурой и свыше 10000 — для аналоговых ИС (VLSI —  Very Large SI).

Границы раздела ИС различных степеней интеграции  могут смещаться в сторону увеличения К по мере развития микроэлектроники.

По конструктивно — технологическим признакам ИС делятся на полупроводниковые, пленочные, гибридные и совмещенные.

Полупроводниковая ИС — это микросхема, все элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки.

Пленочная ИС — это микросхема, все элементы которой выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки. Поскольку до сих пор не удалось получить пленочные активные элементы с удовлетворительными параметрами, то применяется не чисто пленочная, а пленочно — дискретная ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) — это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов ( транзисторов, диодов ), расположенных на общей диэлектрической подложке. Помимо транзисторов и диодов, дискретными компонентами ГИС могут быть бескорпусные полупроводниковые ИС.

В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим толщиной различают тонкопленочные ИС или  ТкИС ( толщина пленок до   1— 2 мкм )  и    толстопленочные ИС   или   ТсИС ( толщина   пленок    20—100 мкм).