Бесплатный учебный файл

Национальный технический ун иверситет Украины "Киевский политехнический институт" КУРСОВАЯ РАБОТА по курсу: "Микроэлектроника и функциональная электроника" Допущено к защите: "_____"__________________1999г. Защищено с оценкой: "_________________" Работу выполнил: ст. гр. ДК-71 ІІІ курса ФЭЛ Кузин Евгеий Андреевич. № зач. книжки ДК-7112 Преподаватель: Рогоза Валерий Станиславович. Киев – 1999 СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 1. Описание схемы для разработки 3 2. Определение электрических параметров схемы 4 3. Технологические этапы изготовления ИМС 5 4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора 9 5. Последовательность расчета параметров интегральных резисторов 12 6. Последовательность расчета параметров МДП вЂ“ конденсатора 18 7. Особенности топологии разрабатываемой ИМС 20 Выводы 20 Литература 20 Введение. Интегральная электроника на сегодняшни й день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей совреме нной промышленности. Одной из составных частей данной науки является сх емотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития техно логии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиаль но новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достиж ения науки. В настоящее время наибольшее внимание в м икроэлектронике уделяется созданию СБИС вЂ“ сверхбольших интегральных схем – интегральных структур с очень большой степенью интеграции элем ентов, что позволяет не только значительно уменьшить площадь подложки И МС, а следовательно, габаритные размеры и потребляемую мощность, но такж е и значительно расширить перечень функций, которые данная СБИС способн а выполнять. В частности, использование СБИС в вычислительной технике по зволило создание высокопроизводительных микропроцессоров электронн о-вычислительных машин, а также встраиваемых однокристальных микрокон троллеров, объединяющих на одном кристалле несколько взаимосвязанных узлов вычислительного комплекса. Переход к использованию СБИС сопряжен со значительным увеличением чис ла элементов ИМС на одной подложке, а также с существенным уменьшением г еометрических размеров элементов ИМС. В настоящее время технология поз воляет изготовление отдельных элементов ИМС с геометрическими размера ми порядка 0,15-0,18 мкм. Быстрое развитие мироэлектроники как одной из самых обширных областей промышленности обусловлено следующими факторами: 1) Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от на значения издел ия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечно сть, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенно е сочетание этих свойств как изделий в целом так и его частей. Надежность работы ИМС обусловлена монолитностью их структуры, а также защищенност ью интегральных структур от внешних воздействий с помощью герметичных корпусов, в которых, как правило, выпускаются серийные ИМС. 2) Снижение габаритов и массы. Значительное уменьшение массы и размеров конкретных радиоэлект ронных приборов без потери качества работы также является одним из реша ющих факторов при выборе ИМС при разработке различных приборов и узлов р адиоэлектронной аппаратуры. 1. Описание схемы для разработки. Данная схема представляет собой цифровую схему логики 4ИЛИ-НЕ на б иполярных транзисторах. Питание схемы стандартное, 5В. Схема состоит из ч етырех идентичных каскадов, состоящих из биполярного транзистора, рези стора и конденсатора. Логика данного логического элемента – насыщенно го типа, т.е. транзисторы в каскадах при работе схемы работают либо в режим е отсечки (на входе – "0", на выходе – "1", транзистор закрыт) либо в режиме нас ыщения (на входе – "1", на выходе – "0", транзистор открыт). Назначение пассивных элементов в цепи базы транзисторов следующее: 1) Резистор – предназначен для выравнива ния входных характеристик всех каскадов логического элемента. Включен ие резистора в цепь базы необходимо ввиду большой погрешности параметр ов, в частности, сопротивления базы при изготовлении интегральной струк туры транзистора, что является неприемлемым, так как не обеспечивает тре буемой стабильности и воспроизводимости параметров схемы. 2) Конденсатор – применяется для увеличения быстродействия каскада. Это достигается благодаря свойству конденсатора проводить сигналы высших гармоник. При подаче на вход схемы уровня логической единицы в момент пе рехода из ноля в единицу входной сигнал содержит много гармоник высших п орядков, которые безпрепятственно проходят через конденсатор, открыва я транзистор. При установлении на входе стабильного напряжения гармони ки высших порядков пропадают и транзистор стабильно работает в режиме н асыщения. Ввиду наличия в схеме транзисторов, резисторов и конденсаторов, данный т ип логики получил название резисторно-емкостной транзисторной логики ( РЕТЛ). Ввиду того, что все четыре каскада рассматриваемой схемы являются абсол ютно идентичными, работа остальных каскадов не рассматривается. 2. Определение электрических параметров элементов схемы. Значения токов и напряжений на элементах схемы определяется с по мощью программы Electronics Workbench (верси я 5.12, разработчик – Interactive Image Technologies LTD ). Для последующего расчета топологических параметров разрабатываемой и нтегральной схемы необходимо определить следующие параметры: максимальный ток через резисторы I R . Данный параметр необходим для расчета мощности, выделяющейся на резисторах, необходимой для последующих расчетов; для транзисторов – максимальный ток на коллекторном переходе, максима льный ток эмиттера,максимальное напряжение на переходе коллектор-база U КБ . Электрические параметры конденсаторов, необходимые для расчета их топ ологических параметров, приведены в задании к данной работе и не подлежа т определению. Значения параметров, указанных выше, приведены в табл. 2.1. Табл. 2.1. Электрические параметры элементов интегральной схемы. Параметр I R 1-4 , мА I R 5 , мА U КБ , В I Э , мА Значе ние 0,26 4,94 1,5 4,5 Примечание. Данные значения токов и напряжений были измеряны при подаче на логические входы схемы минимал ьно допустимого напряжения логической единицы (1,9 В), и/или максимально до пустимого напряжения логического нуля (0,7 В). 3. Технологические этапы изготовления ИМС. При производстве различных ИМС в текущий момент используется планарна я технология, обеспечивающая воспроизводимые параметры инте гральных элементов и групповые методы их производства Локальные тех нологическ ие обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря применению свободных и контактных масок. В планарной техно логии многок ратно повторяются однотипные операции для создания различных по струк туре ИМС. Основными технологическими операциями при изготовлении ИМС я вляются: подготовка полупроводниковой подложки; окисление; фотолитогр афия; диффузия; эпитаксия; ионное легирование, ме таллизация Элементы биполярных инт егральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей п олупроводниковой подложке. Каждый элемент схемы формируется в отдельн ой изолированной области, а соединения между элементами выполняются пу тем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция между элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными р - n переходами и диэлектриком Изоляц ия обратно смещенным переходом реализуется следующими технологически ми методами: разделительной, коллекторной изолирующей диф фузией; базов ой изолирующей диффузией; методом трех фотошаблонов, изоляцией n - полостью. Для изоляции элементов ИМС диэлектриком используют слой SiO 2 , и Si 3 Н 4 , ситалл, стекло, кера мику, воздушный зазор. 3.1. Последовательность операций планарно - эпита ксиальной технологии производства ИМС. 1 - механ ическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины р -т ипа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенног о слоя. Под ложки кремния шлифуют до заданной толщины, затем полир уют (обычно до 14 класса точности) , подвер гают травлению и промывают. Эпита ксиальные структуры не требуют до полнительной механической обработк и, а лишь подвергаются травлению и промывке перед процессами создания сх ем. 2 - окисление для создания защитной маски при диффу зии примеси n типа. На поверхности кремния выращивается плотная пл енка двуокиси кремния, которая имеет близкий к кремнию коэффициент тепл ового расширения , что позволяет использовать ее ка к надежное защитное покрытие, а также изолятор отдельных компонентов ИМ С, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах. Термическое окисление п оверхностей кремния является наиболее тех нологичным методом получен ия пленок SiO 2 . В этом случае качестве окис ляющей среды использ уются сухой или увлажненный кислород либо пары воды. При окислении темпе ратура рабочей зоны поддерживается на уровне 1100-1300 °С. Окисление проводится методом открытой трубы в потоке окислителя. В сухо м кислороде выращивается наиболее совершенный по структуре окисный сл ой, но процесс окисления при этом проходит медленно (Т =1200 °С), толщина d слоя SiO 2 составляет 0,1 мкм). На прак тике окис ление проводят в три стадии: в сухом кислороде, влажном кислоро де и сно ва в сухом. Для стабилизации свойств защитных окисных слоев в про цессе окисления в среду влажного кислорода или паров воды добавляют бор ную кислоту, двуокись титана и др. 3 - фотол итография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в м естах формирования скрытых слоев. Создание на поверхности подлож ки защитной маски малых размеров, используемой в дальнейшем для проведе ния локальных процессов травления, диффузии, эпитаксии и др. Образуется с помощью фоточувствительного слоя (фоторезиста), который под действием света изменяет свою структуру По способности изменять свойства при обл учении фоторезисты делятся на негативные и позитивные. Освещение негативного ф оторезиста вызывает дополнительную полимеризацию его молекул, вследст вие чего после проявления пластины по лупроводника на ней остаются нера створимые участки рисунка, которые представляют собой негативное изоб ражение фотошаблона, а неосвещенные участки фоторезиста смываются в ра створителе при проявлении. В позитивном фоторезис те под действием света происходит разру шение молекул. При проявлении т акой фоторезист удаляется с освещенных участков, а на поверхности пласт ины остается позитивное изображение фотошаблона, Фоторезист должен быть чувствительным к облучению, иметь высо кие разре шающую способность и кислотостойкость. Для создания определенного рисунка с помощью фоторезиста используется фотошаблон, представляющий собой пла стину из оптического стекла, на поверхности которой содержится рисунок соот ветствующий по размерам будущей микросхеме. Фотошаблон может соде ржать до 2000 изображений одной микросхемы. Последовательность фотолитографического процесса состоит в следующе м . На окисленную поверхнос ть кремния с толщиной окисла 3000 - 6000 А наносят слой фоторе зиста с помощью центрифуги. Фоторезист сушат сначала при комнатной темп ературе, затем при температуре 100 -150 0 С. Подложку совмещают с фо тошаблоном и облучают ультрафиолетовым излучением. Засвеченный фоторе зист проявляют, а затем промывают в деио низированной воде. Оставшийся ф оторезист задубливают при комнатной температуре и температуре 200 °С в течение одного часа, после чего окис ленная по верхность кремния открывается в местах, соответствующих ри сунку фотош аблона. Открытые участки окисла травят в специальных бу ферных травител ях (например, 10 мл НF и 100 мл N H 4 F в воде). На участки окисла, покрытые ф оторезистом, травитель не действует. После травления фоторезист раство ряют органическим растворителем и горячей серной кислотой. Поверхность пластины тщательно пр омывают. На поверх ности кремния остается слой SiO 2 , соответствующий рисунку схемы 4 - диффузия для создания скрытого n-слоя. Локальная диффузия является одной из основных технологических о пераций при создании полупроводниковых ИМС. Диффузия в полупроводниковых кристаллах представляет собой на правле нное перемещение примесных атомов в сторону убывания их концен трации. В качестве легирующих примесей в кремнии используются в основном бор и ф осфор, причем бор создает примеси акцепторного типа, а фосфор донорного. Для бора и фосфора энергия активации соответственно равна 3,7 и 4,4 эВ. Различают два режима ди ффузии: диффузия из неограниченного источника и диффузия из ограниченн ого источника. В производстве ИМС реализуются оба случая диффузии. Диффу зия из неограниченного источника представляет собой первый этап диффу зии, в результате которого в полупроводник вводится определенное колич ество примеси. Этот процесс называют загонкой примеси. Для создания заданного распределения примесей в глубине и на поверхнос ти полупроводника проводится второй этап диффузии из ограниченного ис точника. Этот процесс называется разгонкой примеси. Локальную диффузию проводят в открытые участки кремния по ме тоду откры той трубы в потоке газа - носителя. Температурный ин тервал диффузии для кремния составляет 950 - 1300 °С. Крем ниевые пластины размещают в высокотемпературной зоне диффузионной печ и. Газ - носи тель в кварцевой трубе при своем движени и вытесняет воздух. Источники примеси, размещенные в низкотемпературно й зоне, при испарении попа дают в газ - носитель и в ег о составе проходят над поверхностью кремния. Источники примеси, приме няемые в производстве ИМС, могут быть твердыми: жидкими и газообразными. В качестве жидких источников ис пользуются хлорокись фосфора РОСlз и ВВ r з. После установления темпера турного режима в рабочу ю зону печи поступает кислород, что способствует образованию на поверхн ости кремния фосфоро - и боросиликатного стекла. В даль нейшем диффузия проходит из слоя жидкого стекла Одновременно слой стек ла защищает поверхность кремния от испарения и попадания по сторонних ч астиц. Таким образом, в локальных участках кремния происхо дит диффузия легирующей примеси и создаются области полупроводника с определенным типом проводимости. После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной пр имеси с малым коэффициентом диффузии (А s , Sb ) и формируется скрытый высоколегированный слой n + глубиной около 2 мкм. Примесь с малым коэффиц иентом диффузии необходимо использо вать, чтобы свести к минимуму измен ение границ скрытого слоя при после дующих высокотемпературных технол огических операциях. После этого с поверхности полностью удаляется сло й окисла и пластина очищается. На очищенной поверхности кремния выращив ается эпитаксиальный слой n -типа толщиной 10-15 мкм с удельным сопротивлением 0,1 - 10 Ом*см. 5 - снятие окисла и подготовка поверхности перед пр оцессом эпитакси-ального наращивания; 6 - формирование эпитаксиальной структуры; Эпитаксия представляет собой процесс роста монокристалла на ори ентирующей подложке. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую р ешетку под ложки. Толщина его может быть от монослоя до нескольких десят ков мик рон. Эпитаксиальный слой кремния можно вырастить на самом кремн ии. Этот процесс называется авто - или гомоэпитаксие й. В отличие от авто-эпитаксии процесс выращивания монокристаллических слоев на подложках, отличающихся по химическому составу, называется гет ероэпитаксией. Эпитаксиальный процесс позволяет получать слои полупроводника одноро дные по концентрации примесей и с различным типом проводимости (как элек тронным, так и дырочным). Концентрация примесей в сл ое может быть выше и ниже, чем в подложке, что обеспечивает возможность по луче ния высокоомных слоев на низкоомной подложке. В производстве эпитакси альные слои получают за счет реакции на по верхности подложки паров кре мниевых соединений с использованием реак ции восстановления SiCl 4 , Si Вг 4 . В реакционной камере на поверхности подложки в температурном диапазоне 1150 - 1270 °С протекает реакция SiCl 4 + 2Н 2 <=> Si + 4 H С1, (3.1) в результате которой чистый к ремний в виде твердого осадка достраивает решетку подложки, а летучее со единение удаляется из камеры. Процесс эпитаксиально го наращивания проводится в специальных ус тановках, рабочим объемом в которых является кварцевая труба, а в каче стве газа-носителя использую тся водород и азот. Водород перед поступле нием в рабочий объем многокра тно очищается от кислорода, паров воды и других примесей. При установивш ейся рабочей температуре в поток газа носителя добавляется хлористый в одород и производится предварительное травление подложки. После этого вводятся в поток газа SiCl 4 и соответствующие легирующие примеси. 7 - окисление поверхности эпитаксиального сл оя для создания защитной маски при разделительной диффузии; 8 - фотолитография для вскрытия окон под разд елительную диффузию; 9 - проведение разделительной диффузии и соз дание изолированных кар манов; Разделительная диффузия проводится в две стадии: первая (загонка) - при температуре 1100-1150 °С, вторая ( разгонка) - при температуре 1200-1250 °С. В качестве диффузанта используется бор. Разделительная диффузия осу ществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кре мния формируются отдельные области полупроводника разделенные р- n переходами. В каждой изолированной области в резу льтате по следующих технологических операций формируется интегральны й элемент. 10 - окисление; 11 - фотолитография для вскрытия окон под базо вую диффузию; 12 - формирование базового слоя диффузией при меси р-типа. Для проведения базовой диффузии процессы очистки поверхности, ок исления и фотолитографии повторяются, после чего проводится двухста ди йная диффузия бора: первая при температуре 950-1000 °С, вт орая при температуре 1150-1200 °С. 13 - окисление; 14 - фотолитография для вскрытия окон под эмит терную диффузию; 15 - формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа; Эмиттерные области формируются после четвертой фотолитографии Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 °С. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов и нижние обкладки МДП-конденсаторов. В качеств е легирующей примеси используется фосфор. 16 – фотолитография для вскрытия окон для т равления окисла под МДП-конденсаторы. Данный этап необходим для создания тонкого окисла между в ерхней и нижней обкладками конденсатора. Он получается травлением пасс ивирующего слоя до нужной толщины. 17 – формирование тонкого окисла в местах создания МДП-ко нденсаторов. 18 - фотолитография для вскрытия контактных о кон; 19 - напыление пленки алюминия. Соединения элементов ИМС создаются металлизацией. На поверхност ь ИМС методом термического испарения в вакууме наносится слой алюминия толщиной около 1 мкм. После фотолитографии на поверхности ИМС остаются м еталлические соединения, соответствующие рисунку схемы. После фотолит ографии металл обжигается в среде азота при температуре около 500 С. 20 - фотолитография для создания рисунка разв одки и нанесение слоя за щитного диэлектрика . 21 – фотолитография для вскрытия окон контактных площадок для по следующего приваривания проводников. 4. Последовательность расчета параметров биполярного транзисто ра. Исходные данные для расчета. Максимальное напряжение на коллекторном переходе: U кб = 1,5 В Максимальный ток эмиттера: І э = 4,5 мА Граничная частота f т = 500 МГц. Дальнейший расчет проводится с помощью п рограммы расчета параметров биполярных транзисторов, результаты расче та, представленные ниже, были получены с помощью данной программы. Расчет выполняется в следующей последовательности. 1. По заданному максимально допустимому напряжению U кб определяют пробивное напряжение U кб0 , которое должно быть хотя бы на 20% больше U кб и учитывает возможные колебания напряжения питания, т.е. U кб0 =1,2 U кб , в наше м случае U кб0 =1,8 В. Пробивное напряжение U пр коллекторного перехода выбираем с коэф фициентом запаса 3, это учитывает возможность пробоя по поверхности и на закруглениях коллекторного перехода. В нашем случае U пр = 5,4 В. По графику зависимости U пр ( N дк ) [1] , где N дк – концентрация д оноров в коллекторе, находят N дк . В программ е расчета значение концентрации находится численными методами. В нашем случае N дк = 5 10 17 см -3 . Данное значение слишком вел ико, т.к при таком значении возможно появление паразитного n -канала, поэтому уменьшим его до 10 16 см -3 . По графику зависимости подвижности электронов от их концентрации [1] нах одят подвижность электронов. В нашем случае n = 1200 см 2 /(В с). 2. Определяют характеристическую длину распределения акцепторов L а и доноров L д : ( 4.1) где х j к – глубина коллекторного перехода . В нашем случае L a = 0,374 мкм; L д = 0,0748 мкм. 3. Для расчета ширины ОПЗ (области пространственного заряда) на коллектор ном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют контактную разнос ть потенциалов на коллекторном переходе: ( 4.2 ) где т – тепловой потенциал, равн ый 0,0258 В при Т=300 К.; n i – концентрация собственных носителей заряда в к ремнии ( n i 10 10 см -3 ). В нашем случае к = 0,6771 В. Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе э рассчитывается аналогично к . В нашем случае э = 0,1809 В. 4. Рассчитывают ширину ОПЗ, распространяющуюся в сторону базы ( х кб ) и в сторону коллектора ( х кк ) при максимальном смещении коллекторного перехода U кб : ( 4.3 ) ( 4.4 ) где , 0 , н – соответственно диэлектрическая постоянная и относит ельная диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки. В нашем случае х кб = 0,387 мкм, х кк = 0,6656 мкм. 5. Выбираем ширину технологической базы равной 1 мкм. 6. Определяем концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе: N a ( x j э ) = N дк exp ( W б0 / L a ) ( 4 .5 ) В нашем случае N a ( x j э ) = 1,338 10 17 см -3 . 7. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного з аряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приб лиженно можно считать, что х эб х э , где ( 4.6 ) В нашем случае х э = 0,08858 мкм. 8. Расчитываем ширину активной базы: W ба = W б0 - х э - х кб ( 4 .7 ) В нашем случае W ба = 0,4944 мкм. Дальнейший расчет тр анзистора включает вычисление площади эмиттерного перехода, 9. Расчет минимальной площади эмиттер ного перехода осуществляется на основе критической плотно сти тока через эмиттерный переход. ( 4.8 ) где = const для Si (10 7 c м/с) В нашем случае j кр = 2811 А/см 2 . ( 4.9 ) В нашем случае S е = 160,1 мкм 2 . 10. Определим емкость коллекторного перехода на основе граничной частоты транзистора. Из заданной частоты f t , найдем емкость к оллекторного перехода С к ( 4.10 ) В нашем случае С к = 0,5 пФ 11. Найдем площадь коллекторного перехода как сумму площадей его донной и боковой частей. Причем донная часть площади составляет приблизительно 80% от общей его площади. Рассчитаем площадь дон ной части коллекторного перехода: ( 4.11 ) где V k = V kp В нашем случае S б дон = 2734 мкм 2 . Исходя из полученного значения площади н айдем площадь боковой части коллекторного переход а: ( 4.12 ) в нашем случае S б.бо к = 719 мкм 2 5. Последовательность расчета параметро в интегральных резисторов. Параметры, которые определяют сопротивление интегрального рези стора, можно разделить на две группы: 1) параметры полупроводникового слоя : толщина W ; характер распределения примеси по глубине N ( x ); зависимость подвижности носителей заряда от концентрации ( N ); 2) топологические параметры : длина резистора l ; ширина резистора b . Первая группа параметров оптимизируется для получения наилучших резул ьтатов интегральных транзисторов. Именно для этого расчет транзисторо в производится в первую очередь. Таким образом, задача расчета резистора сводится к выбору полупроводникового слоя, в котором будет создаваться резистор, и формы контактов и вычисления длины и ширины. Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно равна 15-20% и зависит от ширины резистора. Так, при возрастании ширины от 7 до 25 мкм точн ость воспроизведения номинала возрастает с 15 до 18%. 5.1 Диффузионные резисторы на основе базовой области. Резисторы данного типа приобрели наибольшее распространение, та к как при их использовании достигается объединение высокого удельного сопротивления, что необходимо для уменьшения площади, которую занимает резистор, и сравнительно небольшого температурного коэффициента ТК R ( (0,5…3) 10 -3 1/ С ). 5.2. Исходные данные для расчета топологических параметров полупр оводниковых резисторов. Для расчета длины и ширины резисторов нео бходимы следующие входные данные: 1) номинальные значения сопротивлений R , заданные в принципиальной схеме. R 1 - R 4 – 4700 Ом; R 5 – 3300 Ом. 2) допустимая погрешность R . Исходя из технологических возможностей оборудования выберем R = 20% 3) рабочий диапазон температур ( T min , T max ). Исходя из предположения, что разрабатываемая ИМС будет предназначена д ля эксплуатации в климатических условиях, характерных для широты Украи ны, выберем диапазон температур, определяемый климатическим исполнени ем УХЛ 3.0 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в умеренном и холо дном климате, в закрытых помещениях без искусственно регулируемых клим атических условий). Исходя из этого: T min = -60 С; T max = +40 С. 4) средняя мощность Р, которая рассеивается на резисторах. Мощность, рассеиваемая на резисторах, будет расчитана на основе измерян ных ранее токов через резисторы, используя закон Ома. P = I 2 R, ( 5.1) где I – ток через резистор, А; R – сопротивление резистора, Ом. Измерянные значения токов несколько увеличим для учета возможных скач ков входных токов схемы: Табл. 6.1 Расчет мощностей резисторов Значение тока I R 1-4 , мА 0,26 I R 5 , мА 4,94 Увеличенное значение тока I ’ R1-4 , мА 0,5 I ’ R5 , мА 5 Расчитанная мощность Р R 1-4 , мВт 1,175 Р R 5 , мВт 82,5 5.3. Последовательность расчета топологических параметров параме тров полупроводниковых резисторов. Для расчета параметров интегральных резисторов используется на писанная для этих целей программа, значения рассчитанных параметров, пр иведенные ниже, расчитаны с ее помощью. 1. Выбираем тип резистора, исходя из его номинального сопротивления. В рас читываемой схеме все резисторы целесообразно изготовить дифузионными , сформированными в базовом р-слое. 2. Расчитываем удельное поверхностное сопротивление: ( 5.2) где N a 0 – концентрация акце пторов у поверхности базы, см -3 ; N – концентрация акцепторов в базе, см -3 ; N дк – концентрация доноров в коллекторном слое, см -3 ; q – единичн ый заряд, Кл; - подвижность носителей заряда, см 2 /В с; W – глубина коллекторного p - n перехода, мкм; Для расчета принимаем N a 0 = 8*10 18 см -3 ; N дк = 10 16 см -3 ; значения интегралов расчитываются чи сленными методами на основе существующих зависимостей подвижности нос ителей от их концентрации. В результате S = 222,81 Ом/ . Тип ичное значение поверхностного сопротивления базовой области - 200 Ом/ , расчитанное значение показывает прием лемость использования выбранных концентраций. 3. Рассчитываем коэффициент формы резисторов и его относительную погреш ность: ( 5.3) ( 5.4) где S / S – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностно го сопротивления легированного слоя, которая вызвана особенностями те хнологического процесса, для расчета примем ее равной 0,05; ТК R – температурный коэффициент сопротивления базо вого слоя, он равен 0,003 1/ С. Результаты расчета следующие: R 1 - R 4 : К Ф = 21,094; К Ф / К Ф = 0,00474 R 5 : К Ф = 15,719; К Ф / К Ф = 0,00636 4. Рассчитаем минимальную ширину резистора b точн , которая обеспечит заданную погрешность геометрических размеро в: ( 5.5) где b – погрешность шири ны резистора; l – погрешность длины резистора В нашем случае R 1 - R 4 : b точн = 1,0455 мкм R 5 : b точн = 1,0617 мкм 5. Определяем минимальную ширину резистора b P , которая обеспечит заданную мощность Р: ( 5.6) где Р 0 – максимально допустимая мощность рассеяния для вс ех ИМС, для полупроводниковых ИМС Р 0 = 4,5 Вт/мм 2 . В нашем случае R 1 - R 4 : b р = 3,5183 мкм R 5 : b р = 34,1512 мкм 6. Расчетное значение ширины резистора оп ределяется максимальным из расчитанных значений: b расч = max b P , b точн R 1 - R 4 : b расч = 3,5183 мкм R 5 : b расч = 34, 1512 мкм Расчеты b для R 1 - R 4 дают значение ширины резистора меньше тех нологически возможной (5 мкм), поэтому для последующих расчетов принимае м b расч = 5 мкм 7. С учетом растравливания окон в маскирующем окисле и боковой диффузии ш ирина резистора на фотошаблоне должна быть несколько меньше расчетной: b пром = b расч – 2( трав - у) ( 5.7) трав – погрешность растравлив ания маскирующего окисла, у – погрешность боковой диффузии для расчета примем трав = 0,3 ; у = 0,6 тогда R 1 - R 4 : b пром = 5,6 мкм R 5 : b пром = 34,7512 мкм 8. Выберем расстояние координатной сетки h для черче ния равным 1 мм и масштаб чертежа 500:1, тогда расстояние координатной сетки н а шаблоне мкм. 9. Определяем топологическую ширину резис тора b топ . За b топ принимают значение большее или равное b про м значение, кратное расстоянию координатной сетки фотошаблона. В нашем случае R 1 - R 4 : b топ = 6 мкм R 5 : b топ = 34 мкм 10. Выбираем тип контактных площадок резистора. Исходя из расчитанной топ ологической ширины выбираем для R 1 - R 4 площадку, изображенную на рис.1а, для R 5 – на рис. 1б. а б Рис. 1 Контактные площадки 11. Находим реальную ширину резистора на кр исталле, учитывая погрешности, вызванные растравливанием окисла и боко вой диффузией: b = b топ + 2( трав + у) ( 5.8) В нашем случае: R 1 - R 4 : b = 7,8 мк м R 5 : b = 35,8 мкм 12. Определяем расчетную длину резистора: l расч = b(R/ S – n 1 k 1 – n 2 k 2 – 0,55N изг ( 5.9) где N изг – количество изгибов резистора на 90 ; k 1 , k 2 – поправочные коэффициенты, котор ые учитывают сопротивление околоконтактных областей резистора при раз ных конструкциях этих областей; n 1 , n 2 – количество околоконтактных областей к аждого типа. В нашем случае R 1 - R 4 : l расч = 198,579 мкм R 5 : l расч = 284,4 13. Расчитаем длину резистора на фотошаблоне, учитывая растравливание ок исла и боковую диффузию: l пром = l расч + 2( трав + у) ( 5.10) в нашем случае R 1 - R 4 : l пром = 200,84 мкм R 5 : l пром = 286,2 мкм 14. За топологическую длину резистора l топ бе рем ближайшее к l топ значение, кратное расс тоянию координатной сетки на фотошаблоне. В нашем случае R 1 - R 4 : l топ = 200 мкм R 5 : l топ = 286 мкм 15. Расчитываем реальную длину резистора на кристалле: l = l топ - 2( трав + у) ( 5.11) R 1 - R 4 : l = 198,2 мкм R 5 : l = 284,2 мкм 16. Определяем сопротивление рассчитанного резистора R расч = S ( 1/b + n 1 k 1 + n 2 k 2 + 0,55N изг ) ( 5.12) В нашем случае R 1 - R 4 : R расч = 4732, 991 Ом R 5 : R расч = 3301, 55 Ом Погрешность расчета: ( 5.13) В нашем случае R 1 - R 4 : R расч = 0,007 R 5 : R расч = 0,00046 Результаты расчета вполне удовлетворяют заданной погрешности. 6. Последовательность расчета МДП вЂ“ конденсатора. МДП-конденсаторы (металл-диэлектрик-полу проводник) используют в качестве диэлектрика тонкий слой (0,05…0,12 мкм) SiO 2 или Si 3 N 4 . Нижней обкладкой служит высоколегирован ный эмиттерный слой, верхней – пленка алюминия толщиной от 5000 до 1 мкм. Ти пичный МДП-конденсатор представляет собой обыкновенный плоский конден сатор, и его емкость определяется по формуле, пФ: ( 6.1 ) где д/э – диэлектричес кая постоянная диэлектрика; 0 – диэлектрическая постоянная вакуума, 0 =8,85 10 -6 пФ/мкм; S – площадь верхней обкладки , мкм 2 ; d – толщина диэлектрика, мкм. В противоположность диффузионным конденсаторам МДП-конденсаторы могу т работать при любой полярности приложенного напряжения. Кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения и частоты переменного то ка. Исходные данные для расчета. необходимое значение емкости: С = 20 пФ; допуск на емкость: С = 20%; рабочее напряжение: U = 4 В; интервал рабочих температур (УХЛ 3.0): Т min = -60 C , Т max = +40 С; рабочая частота: 500 МГц. 1. Задаемся напряжением пробоя конденсатора исходя из заданного рабочег о напряжения: U пр = (2…3) U ( 6.2) В нашем случае U пр = 12 В. 2. Определяем толщину диэлектрика, мкм: d = U пр / Е пр ( 6.3) где Е пр – электрическая прочность диєлектрика, для SiO 2 Е пр = 10 3 В/мкм. В нашем случае d = 0,012 мкм 3. Емкость МДП вЂ“ конденсатора определяется по формуле, ( 6.1), пФ, исходя из кот орой площадь верхней обкладки, мкм 2 : ( 6.4 ) SiO 2 4, в нашем случае S = 6822,76 мм 2 . Ширина конденсатора, мкм: ( 6.5 ) В нашем случае =82,6 мкм 4. Выбираем расстояние координатной сетки для черчения h равным 1 мм, масштаб M выбираем равным 500:1. Расстояние координатной сетки: H f = h/M ( 6.6 ) В нашем случае H f = 2 мкм. 5. Приводим ширину конденсатора к расстоянию координатной сетки: а топ = [ / H f ] ( 6.7 ) здесь [х] – целая часть х. В нашем случае а топ равно 41 расстоянию координатной сетки. 6. Рассчитываем емкость С расч рассчитанного конденсатора по формуле ( 6.1): С расч = 20,1271 пФ. 7. Рассчитываем отклонение С расч от С: ( 6.8 ) В нашем случае С расч = 0,636%, чт о вполне удовлетворяет заданной в начале расчета погрешности. 7. Особенности топологии разрабатываемой ИМС. Для построения чертежей кристалла и фотошаблонов используется программа АutоСАD 2000 ( р азработчик – компания Autodesk ) . При построении чертеже й фотошаблонов учтены допуски на минимальные расстояния между отдельн ыми элементами интегральной микросхемы Все резисторы данной схе мы реализуются в базовом слое. Следова тельно на n карман в котором они на ходятся подается максимальное напряжение действующее в этой схеме т.е. н апряжение питания. Конденсаторы данной ИМС реализуются по МДП-технологии, что предполагае т дополнительный этап фотолитографии для создания слоя тонкого диэлек трика МДП-структуры. На этапах изготовления ИМС используется негативный фоторезист, кроме этапа разделительной р д иффузии когда используется позитивный фоторезист. Топология кристалла и фо тошаблонов представлена на чертежах. Выводы. В данной работе была разработана топология и рассчитаны параметр ы интегральной логической схемы резисторно-емкостной транзисторной ло гики (РЕТЛ). Приведенные расчеты подтверждают полное соответствие разра ботанной ИМС требованиям технического задания. Топология микросхемы р азработана с учетом технологических возможностей оборудования. Линейн ые размеры элементов и расстояния между ними больше минимально допусти мых, что обеспечит меньшую погрешность при производстве, а следовательн о, и больший выход годных изделий при групповом производстве. Электрические параметры схемы учитывают работу схемы в реальных услов иях, а именно скачки питающего напряжения и напряжения на логических вхо дах. Расчеты параметров элементов схемы предусматривают ее эксплуатацию в климатических условиях, характерных для широты Украины. Разработанная ИМС полностью пригодна для эксплуатации в современной э лектронной аппаратуре. Литература. 1. Калниболотский Ю.М. и др. Расчет и конструирование микросхем.- Киев , "Высшая школа",1983. 2. Конструирование и технология микросхем. Под ред. Коледова Л.А. – М.:"Высша я школа", 1984 3. Методичн і вказівки до виконання розрахункових робіт на ЕОМ з курсу "Мікроелектроника та функціональна електроніка", ч.1,2,- Київ, КП І, 1993.

Приложенные файлы


Добавить комментарий