Entwurf und Technologie hochintegrierter Schaltungen

Frontmatter

1. Einführung in die Mikroelektronik

Zusammenfassung

Anhand der Tabelle 1.1 soll zunächst die historische Entwicklung der Mikroelektronik [Muro82] mit ihren Meilensteinen aufgezeigt werden. Die Produkte mit dem höchsten Entwicklungsstand sind in der Regel Speicherbausteine und Mikroprozessoren. Ausgangszeitpunkt der Vorstellung ist 1948 mit der Erfindung des Bipolartransistors.

Hans-Ulrich Post

2. MOS-Technologien

Zusammenfassung

Zum Verständnis der Funktion der Halbleiterbauelemente (z. B. der Transistoren) ist es notwendig, das Wesen der Stromleitung in Festkörpern [Fras81] [Kneu82] etwas genauer zu betrachten.

Hans-Ulrich Post

3. Layout

Zusammenfassung

Nach dem Entwurf einer Schaltung auf Transistorebene muß für die Schaltungsintegration ein Maskenlayout erstellt werden, mit dessen Hilfe die Halbleitertechnologen anschließend den Halbleiterchip fertigen können.

Hans-Ulrich Post

4. Entwurf logischer Grundgatter

Zusammenfassung

Der Inverter bildet die Basisstruktur für aktive digitale Schaltungen, an der die grundsätzlichen Eigenschaften und Leistungsmerkmale einer Logikfamilie charakterisiert werden können. Die anderen Grundgatter lassen sich sehr leicht aus der Dimensionierung der Inverter ableiten. Die Funktion eines Inverters wird entweder mit einem schaltbaren Spannungsteiler (Ratio-Technik, Bild 4.1a) oder mit einem Wechselschalter (Ratioless-Technik, Bild 4.1b) realisiert.

Hans-Ulrich Post

5. Schaltzeiten, Verlustleistung und Störabstände

Zusammenfassung

Eine exakte Berechnung der Schaltzeiten, Verlustleistung und Störabstände ist wegen der Komplexität des analytischen Problems nur mit Unterstützung von Schaltungssimulationsprogrammen sinnvoll. Für grobe Abschätzungen mit Abweichungen von 10 % bis 20 % genügen jedoch relativ einfache Ansätze. Besondere Modellverfeinerungen für die Stromgleichungen, wie z. B. Substrateffekt oder Kanallängenmodulation, können häufig vernachlässigt werden.

Hans-Ulrich Post

6. Integrationsgerechte Schaltungsoptimierung

Zusammenfassung

Der Entwurf integrierter Schaltungen bietet gegenüber der Schaltungsrealisierung mit diskreten Standardschaltungen den Vorteil, daß Logikfunktionen optimiert werden können. Der “Zugriff” zu jedem einzelnen Transistor erlaubt eine hohe Flexibilität bei der Schaltungsentwicklung.

Hans-Ulrich Post

7. VLSI-Entwurfsstile

Zusammenfassung

In den 70er Jahren, zu Beginn der Entwicklung hochintegrierter Schaltungen, stand die Forderung nach minimalem Chipflächenbedarf im Vordergrund, da die technologische Realisierbarkeit komplexer Logikfunktionen die dominierende Begrenzung im Systementwurf darstellte.

Hans-Ulrich Post

8. CAD für den VLSI-Entwurf

Zusammenfassung

Die Komplexität hochintegrierter Systeme wirft bezüglich des Schaltungsentwurfs zwei vorrangige Problemstellungen auf:

• lange Entwicklungszeit, da der Anstieg des Entwurfaufwands etwa proportional mit der Anzahl der Transistoren verläuft;
• hoher Testaufwand aufgrund eines überproportionalen Anstiegs der Testzeit mit der Anzahl der Gatter.

Hans-Ulrich Post

9. VLSI-Systementwurf

Zusammenfassung

Ein typischer VLSI-Systementwurf gliedert sich in eine Folge hierarchisch angeordneter Stufen. Der Systementwurf beginnt nach einer Definition der Aufgaben mit einer schematischen Darstellung von Subsystemen (z. B. ALU, Speicher, Ein/Ausgabe usw.) und ihren Verknüpfungen (Blockdiagramm). Diese Systemdefinition wird dann in funktionale Blöcke aufgelöst, die durch logische Gleichungen, Zustandsdiagramme oder verbale Spezifikationen beschrieben werden. Anschließend werden die Blöcke hierarchisch in Hinblick auf Taktschema, Verdrahtung, Regularität und Chipflächenbedarf in Logikgatter umgesetzt. An diesem Punkt beginnt der Entwickler unter Berücksichtigung der globalen Plazierung Zellenlayouts, Verdrahtung, Spannungsversorgung und Teststrategien zu entwerfen. Nach diesem Schema werden alle Subsysteme entwickelt, die dann in Verbindung mit den Chip-Anschlüssen, der Spannungsversorgung, den Kontrolleitungen und dem zentralen Takt zu einem Gesamtsystem verknüpft werden.

Hans-Ulrich Post

10. Fertigungsgerechter Entwurf

Zusammenfassung

Genaue Simulationsergebnisse erfordern eine Beziehung zwischen dem angewendeten Transistormodell und der eingesetzten Technologie, da es perfekte Modelle nicht gibt bzw. genaue Modelle zu komplex und damit zu rechenintensiv sind. Zur Anpassung der Modellparameter an einen Prozeß werden deshalb auf den Wafern Testschaltungen eingesteppt, an denen sich transistor- und prozeßspezifische Parameter messen lassen. Außerdem werden zur Überwachung der Fertigung die Prozeßparameter mittels Testschaltungen in der laufenden Produktion gemessen.

Hans-Ulrich Post

11. Testverfahren für integrierte Schaltungen

Zusammenfassung

Mit der wachsenden Systemkomplexität steigt auch der Testaufwand der hochintegrierten Schaltungen. Um zu vermeiden, daß die Testzeit zum wesentlichen Kostenfaktor einer integrierten Schaltung wird, muß schon beim Schaltungsentwurf die spätere Testbarkeit einbezogen werden. Zur Verbesserung der Testbarkeit sind verschiedene Verfahren [Micz86] [McCI86] entwickelt worden, von denen die wichtigsten vorgestellt werden.

Hans-Ulrich Post

12. Chip-Engineering

Zusammenfassung

Nach der Erstellung des Layouts einer Schaltung sind bis zur endgültigen Abgabe des Maskenbandes für die technologische Fertigung des Chips, d. h. der Festlegung der eigentlichen Schaltungsstruktur, noch Ergänzungen hinzuzufügen, die Test, Aufbau, Fertigung und Funktion ermöglichen bzw. Unterstützen.

Hans-Ulrich Post

13. Ausblick

Zusammenfassung

Der prinzipielle Gesamtablauf eines Chipentwurfs ist in Tafel 13.1 dargestellt.

Hans-Ulrich Post

Backmatter