Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции ИМС

Введение

 

 

Целью работы над курсовым проектом является приобретение практических навыков решения инженерной задачи создания конкретного микроэлектронного  изделия, а также закрепление, углубление и обобщение теоретических знаний, приобретенных во время учебы.

Задачей выполнения курсового  проекта является разработка конструкции интегральной микросхемы (ИМС) в соответствии с заданной в техническом задании принципиальной электрической схемой. Так же к задачам относятся:

- анализ исходных  данных и обоснование выбора конструкции ИМС;

- выбор физической структуры подложки;

- проектирование интегральных транзисторов, резисторов и конденсаторов;

- разработка  топологии;

- проведение  контрольно-проверочных расчетов;

- разработка  технологичного маршрута изготовления  ИМС.

Интегральная микросхема — это конструктивно законченное  изделие электронной техники, выполняющее  определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.

Развитие  технологии играет исключительную роль в создании высокого научно-технологического уровня производства во всех областях народного хозяйства Значимость технологии в производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем особенно велика. Именно постоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов, начиная со времени создания первых транзисторов, привело на определенном этапе ее развития к изобретению микросхем, а в дальнейшем к широкому их производству.

Технология  интегральных микросхем представляет собой совокупность механических, физических, химических способов обработки различных  материалов (полупроводников, диэлектриков, металлов), в итоге которой создается интегральная микросхема (ИМС).

Резко возросла степень интеграции ИМС. За последнее десятилетие количество элементов в микросхему увеличилось от десятков тысяч до сотен тысяч элементов, а в некоторых типах ИМС и до 10 млн. элементов.

 

1. Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции ИМС

 

 

В соответствии с заданием на курсовой проект необходимо разработать микросхему кварцевого генератора. Кварцевый генератор – электронный прибор, который обеспечивает генерацию на выходе схемы периодического сигнала определенной формы на рабочей частоте. Кварцевые генераторы – один из самых распространенных источников тактовых импульсов. Они применяются практически в любой электронной схеме. Они используются в технике радиосвязи, радиолокации, измерительной и вычислительной технике, телеметрии, в бытовых приборах таких, как наручные электронные часы, магнитофоны, телевизоры и др. Использование кварцевых генераторов позволяет создать надежную радиоаппаратуру высокой точности, простую в эксплуатации, малых габаритов и с малой потребляемой мощностью. Следует отметить очень большой диапазон частот, на которых используются кварцевые генераторы: от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Наряду с традиционным применением кварцевых генераторов для стабилизации частоты возбудителей, гетеродинов и синтезаторов частоты, в последнее время их начали использовать для измерения (с весьма высокой точностью) давлении, деформации, ускорения, температуры, влажности и большого числа других параметров.

Заданная  микросхема содержит в электрической  схеме 26 элементов, поэтому по степени интеграции она относится к малым интегральным схемам.

В зависимости  от технологии изготовления микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными или гибридными.

В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1 мкм) или толстых (10 - 50 мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке. ЭРЭ, которые являются неотъемлемой составной частью ИМС и не могут быть выделены из нее как самостоятельное изделие, называют элементами ИМС, а дискретные активные ЭРЭ ГИС - навесными компонентами (или просто компонентами), подчеркивая тем самым, что их изготовляют отдельно в виде самостоятельных приборов, которые могут быть приобретены изготовителем ГИС .как покупные изделия. В отличие от дискретных компонентов элементы ИМС называют интегральными (интегральный резистор, интегральный диод).

В совмещенных ИМС активные ЭРЭ выполнены в приповерхностном слое полупроводникового кристалла (как у полупроводниковой ИМС), а пассивные нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность того же кристалла (как у пленочной ИМС).

Технологической базой развития полупроводниковых микросхем послужили разработка и освоение групповых методов изготовления планарно-эпитаксиальных и пленарных транзисторных структур. Использование этих методов позволяет в едином технологическом цикле обрабатывать несколько десятков кремниевых пластин диаметром 60...300 мм. В каждой из пластин формируется одновременно несколько десятков или сотен микросхем, которые содержат 5-10⁷ и более элементов (диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов), связанных в заданные электрические цепи. При такой технологии обеспечивается идентичность характеристик микросхем. 

Полупроводниковые микросхемы характеризуются рядом недостатков. В частности, в полупроводниковом материале трудно получать пассивные элементы с заданными номинальными значениями. Кроме того, они имеют низкую температурную стабильность, что усложняет конструирование схем, и сильные паразитные связи между элементами, вызывающие ухудшение качества микросхем.

Несмотря  на отмеченные недостатки, полупроводниковые  микросхемы в настоящее время относятся к числу наиболее перспективных изделий микроэлектроники, так как они позволяют создавать надежные малогабаритные и сложные в функциональном отношении схемы. При использовании хорошо отработанных технологических методов изготовления, полупроводниковые микросхемы оказываются значительно надежнее и дешевле схем из навесных элементов.

Полупроводниковые микросхемы по сравнению с гибридными имеют следующие основные преимущества:

- возможность достижения чрезвычайно высокой степени интеграции;

- высокая надежность (примерно на порядок выше, чем у гибридных микросхем);

- меньше геометрические размеры и масса.

В схеме многокаскадного присутствует 13 резисторов с номиналами,  лежащими в диапазоне от 500 Ом до 5000 Ом.. Такие резисторы могут быть изготовлены как в гибридном так и полупроводниковом исполнении, однако  мощность рассеивания резисторов не превышает 5 мВт, этот факт говорит о возможности реализации микросхемы в полупроводником варианте. Конденсаторы Ср и Сэ обладают низкой емкостью (5 пФ), у конденсатора Сф емкость 15 пФ что также позволяет реализовать их в полупроводниковом виде. Поэтому микросхема будет реализована в полупроводниковом исполнении.

 

 

2. Выбор физической структуры подложки

 

 

Основным полупроводниковым материалом для электронной промышленности является Si, встречающийся в природе  в виде кремнозема или силикатов. ИМЭ на основе Si составляет 98% всех производимых в мире полупроводниковых приборов. Кремний по степени распространения в природе находится на втором месте, уступая только кислороду. Он составляет 25% по весу всей земной коры. Доминирующее использование Si в полупроводниковой электронике связано не только с его широким распространением в природе, но и его свойствами. Так ширина запрещенной зоны Si составляет 1,12 эВ, а для Ge 0,66 эВ, что сказывается на стабильности характеристик приборов (для Ge приборов выше токи утечки). Рабочий диапазон Si приборов доходит до 150^oС, а Ge - до 100^oС.

Собственный Si имеет высокое удельное сопротивление ~230000 Ом×см, а Ge только 47 Ом×см, что затрудняет изготовление на основе Ge приборов с высокими пробивными напряжениями. Кроме того стоимость кремния высокого уровня чистоты в 10 раз ниже стоимости Ge. Однако же основные достоинства Si по сравнению с Ge и GaAs связаны с его высокой технологичностью: на Si легко получать защитные окисные пленки (окислы Ge растворяются в воде, а на GaAs очень сложно вырастить окисные пленки, т.к. элементы Ge и As окисляются с различной скоростью); Si легко легировать и т.д.

Основной объем монокристаллического Si (80 - 90%), потребляемого электронной  промышленностью, выращивается по методу Чохральского. Фактически весь Si, используемый для производства ИС, производится этим методом. Сырьем для получения монокристаллического Si является электронный Si, представляющий собой поликристаллический материал высокого уровня чистоты. Основные примеси в электронном Si это В, С₂ и О₂. Концентрация легирующих элементов в чистом Si не должна превышать 10^-7 ат.%, а углерода - 2×10^-4 ат.%. Методом Чохральского получают монокристаллы диаметром до 250 мм и длиной до 3 м. Монокристаллы, полученные данным методом, содержат примеси и дефекты.

По сравнению  с другими полупроводниками кремний  обладает существенно большим значением критического напряжения образования дислокаций. Это делает возможным выращивание бездислокационных монокристаллических слитков диаметром от 150 мм и более с массой более 100 кг. , что является определяющим.

Конструктивным фундаментом  любой ИС является подложка. В зависимости  от конструктивно-технологического варианта ИС (п/п, ГИС) различают два вида подложек: активные (полупроводниковые: Si, Ge, GaAs, GaP) и пассивные (диэлектрические: стекло, ситалл). Полупроводниковые подложки называются пластинами.

На поверхности кремневых пластин легко получить пригодный термический оксид SiO₂, обладающий хорошими диэлектрическими и удовлетворительными маскирующими от проникновения легирующих примесей (бора, фосфора, мышьяка, сурьмы) свойствами. Коэффициенты диффузии этих примесей в диоксиде кремния существенно  меньше, чем в кремнии, что позволяет локально легировать пластины, защищая (маскируя) остальные участки их поверхности пленкой SiO₂. Для производства полупроводниковых ИМС промышленностью выпускаются:

- монокристальные структуры;

- эпитаксиальные структуры;

- эпитаксиальные структуры со скрытым слоем;

- структуры для полупроводниковых схем с полной диэлектрической изоляцией элементов.

К данному  курсовому проекту одним из технических  требований является массовое производство, поэтому в качестве физической аппаратуры подложки выбираем эпитаксиальные структуры со скрытым слоем.

Такие структуры  изготавливаются по специальными заказам под конкретную полупроводниковую микросхему, так как положение скрытого слоя строго определено.

Данные о параметрах этих структур таковы:

 

 

Требуемая структура  со скрытым слоем обозначается и  рассматривается следующим образом:

- кремниевая эпитаксиальная структура диаметром 150 мм:

- толщина эпитаксиального слоя 1,1 мкм;

- материал эпитаксиального слоя — кремний марки КЭФ с удельным сопротивлением 612 Ом-см;

- толщина скрытого слоя 1 мкм;

- скрытый слой представляет собой кремний марки КЭС (легированный сурьмой) с поверхностным сопротивлением 2 Ом/□;

- толщина эпитаксиальной структуры 301,1 мкм;

- кремниевая подложка марки КДБ с удельными сопротивлением 10 Ом-см и кристаллографической ориентацией в плоскости (111).

Практически, однако, кристаллы полупроводниковых ИМС размещаются в стандартных корпусах, возможности которых передавать определенную мощность от кристалла в окружающую среду определяются эмпирическим путем. Каждый типоразмер выпускаемого промышленностью корпуса рассчитан на определенную мощность рассеивания. Поэтому тепловой режим в данном случае обеспечивается подбором корпуса исходя из суммарной мощности, выделяемой полупроводниковой микросхемой.

 

3. Проектирование элементов

 

 

3.1 Проектирование  транзистора

 

 

Биполярный транзистор типа п-р-п является основным схемным элементом полупроводниковых ИМС. Oн обладает лучшими характеристиками, чем транзистор типа р-п-р, а технология его изготовления более проста. Остальные элемент ИМС выбирают и конструируют таким образом, чтобы они совмещались со структурой транзистора типа п-р-п. Их изготовляют одновременно с транзистором типа п-р-п на основе какой-либо из его областей. Таким образом, выбор физической структуры транзистора типа п-р-п определяет основные электрические параметры остальных элементов микросхемы.

Наиболее широкое распространение  получила транзисторная структура типа п⁺-р-п со скрытым подколлекторным n⁺-слое. Следует обратить внимание на то, что вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора. Это увеличивает сопротивление тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора в усилительном режиме (ухудшается частотная характеристика) и в переключающем режиме (уменьшается эффективность переключения в режиме насыщения). Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного   сопротивления снижают пробивное напряжение перехода коллектор-база и увеличивают емкость этого перехода, т. е. также ухудшают характеристики транзистора. Компромиссным решением проблемы является создание скрытого высоколегированного n⁺-слоя на границе коллектора и подложки. Этот слой обеспечивает низкоомный путь току от активной коллекторной зоны к коллекторному контакту без снижения пробивного напряжения перехода коллектор-база.

Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной, и для обеспечения требуемого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные горизонтальные размеры прибора определяются двумя основными технологическими факторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле кремния и зазоров между окнами, а также размером боковой диффузии под окисел. Поэтому при проектировании транзистора следует учитывать, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии р-базы и п⁺-области под коллекторным контактом. Назначение этой п⁺-области состоит в обеспечении надежного формирования невыпрямляющего контакта алюминия к слаболегированной п-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с растворимостью порядка 10¹⁸ атомов/см³ при температуре формирования контакта. Уровень же легирования эпитаксиального п-слоя, составляющего тело коллектора, равен 1O¹⁵—10¹⁶ атомов/см³. Как отмечалось, он диктуется необходимостью увеличения напряжения пробоя перехода коллектор — база.

Расстояния между изолирующей р-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Две типичные конструкции  интегральных транзисторов показаны на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Конструкция биполярных интегральных транзисторов а) асимметричный б) симметричный

Для асимметричной конструкции характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть .коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. На рисунке 3.1 даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции.

Выбираем  изоляцию элементов обратно смещенным р-n переходом, диодную модификацию. Изоляция с помощью р-n переходов обеспечивает достаточно высокую степень интеграции элементов, сравнительно легко осуществляется технологически. Однако токи, протекающие через обратно смещенные изолирующие р-n переходы, емкости р-n переходов, создают паразитные связи между элементами по постоянному и переменному токам.

 

3.1.1 Расчет профиля распределения примеси в транзисторной структуре

Рисунок 3.3 – Результат программного расчёта транзистора

 

3.1.2 Расчет процесса диффузии акцепторов для создания базовой области транзистора

Рассчитываем коэффициент  диффузии бора:

                                               ,                                                          (3.1)

где: Da₀ - постоянная коэффициента диффузии бора, равная 11,5 см² /с;

       ΔЕ - энергия активации примеси, равная 5,92 • 10^-19 Дж;

        К - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10^-23 Дж/К;

       Т_а – температура диффузии акцепторов, равная 1300 К.

Рассчитываем время проведения процесса диффузии бора:

                                            ,                                                      (3.2)

где: х_э – толщина эмиттера, мкм;

        W_б – расстояние от эмиттера до коллектора, мкм;

        D_a – коэффициент диффузии акцепторов, м²/с;

        N_ап и N_дп – концентрации акцепторной и донорной примесей соответственно, см^-3.

Рассчитываем распределение примеси по формуле:

,                                          (3.3)

где: х_б - координата точки в которой рассчитывается концентрация примеси, мкм;

        N_ап– концентрации акцепторной примеси, см^-3;

        D_a – коэффициент диффузии акцепторов, м²/с; 

        t_a – время проведения диффузии бора, с.

Таблица 3.1 результат расчета профиля распределения примеси в базе

x	Nа(xэ)
0	1,00E+19
0,1	8,98E+18
0,2	6,49E+18
0,3	3,79E+18
0,4	1,78E+18
0,5	6,73E+17
0,6	2,05E+17
0,7	5,05E+16
0,8	1,00E+16
0,9	1,60E+15
1	2,05E+14
1,1	2,13E+13
1,2	1,78E+12
1,3	1,20E+11
1,4	6,49E+09
1,5	2,84E+08
1,6	1,00E+07

 

3.1.3 Расчет процесса диффузии доноров для создания эмиттерной области транзистора

Рассчитываем коэффициент  диффузии фосфора:

,                                                    (3.4)

где: D_д0 - постоянная коэффициента диффузии фосфора, равная 1400 см²/с;

       ΔЕ - энергия активации примеси, равная 7,04 • 10^-19 Дж;

        К - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10^-23 Дж/К;

        Т_д – температура диффузии доноров, равная 1300 К.

 

Рассчитываем время проведения процесса диффузии фосфора:

,                                                   (3.5)

где: х_э – глубина залегания эмиттера, мкм;

        D_д – коэффициент диффузии донорной примеси, м²/с;

        N_дп и N_а(х_э) – концентрации носителей заряда в эмиттере и базе соответственно, см^-3.

     

Рассчитываем распределение  примеси по формуле:

,                                            (3.6)

где N_дп – концентрация донорной примеси в эмиттере, см^-3;

       х – координата  точки, в которой рассчитывается  концентрация примеси, мкм;

       D_д – коэффициент диффузии донорной примеси, м²/с;

       t_д – время диффузии донорной примеси, с.

 

N_д (0,1, 6839) = 5,1 · 10²⁰ см^-3

N_д (0,2, 6839) = 1,1 · 10²⁰ см^-3

N_д (0,3, 6839) = 2,0 · 10¹⁹ см^-3

N_д (0,4, 6839) = 1,1 · 10¹⁸ см^-3

 

Таблица 3.2 - Расчет концентраций примесей в базе и эмиттере по глубине

x	Nа(xэ)	Ndd
0	1,00E+19	1,00E+21
0,1	8,98E+18	7,05E+20
0,2	6,49E+18	2,75E+20
0,3	3,79E+18	6,16E+19
0,4	1,78E+18	7,84E+18
0,5	6,73E+17	5,61E+17
0,6	2,05E+17	2,24E+16
0,7	5,05E+16	5,01E+14
0,8	1,00E+16	6,25E+12
0,9	1,60E+15	4,35E+10
1	2,05E+14	1,69E+08
1,1	2,13E+13	0,00E+00
1,2	1,78E+12	0,00E+00
1,3	1,20E+11	0,00E+00
1,4	6,49E+09	0,00E+00
1,5	2,84E+08	0,00E+00
1,6	1,00E+07	0,00E+00

 

Рисунок 3.4 – Профиль распределения примесей в транзисторе

 

3.2. Проектирование резисторов

 

 

Резисторы ИМС формируют  в любом из диффузионных слоев  транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) или с помощью ионного легирования. Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.

Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением p_s. Значение р_s является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа п-р-п, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов даны на рисунке 3.10. Форму и размеры контактов к низкоомным резисторам выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен Ом до единиц кОм. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. высокоомные резисторы (до 20 кОм) имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупроводниковым материалом. более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы).

Рисунок 3.5 – Конструкция диффузионного транзистора на основе базовой области

Рисунок 3.6 - Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области

 

Длина однополоскового  диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1—5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии, и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного p-n-перехода). Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15 — 20% и зависит от ширины резистора. Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом], поскольку значение p_s эмиттерного слоя невелико.

Рисунок 3.7 – Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области

 

При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пннч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конфигурации. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значении толщины донной части р-слоя, У пинч-резистора п⁺- и р-слои закорочены металлизацией и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора.   

Рисунок 3.8 – Конструкция пинч-резистора

Рисунок 3.9 – Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытий I и полузакрытый II варианты)

Рисунок 3.10 – Конфигурация диффузионных резисторов

Номинальные параметры  резисторов, имеющиеся в проектной  схеме приветны в таблице 1.

Таблица 3.1 - Параметры резисторов

Наименование	R, Ом	γr%	P, мВТ
Rб1	1000	10	1
Rб2	2000	10	1.5
Rэ	20	10	2
Rк	2300	10	1.75
Rф	10000	10	3

 

3.2.1 Поверхностное сопротивление базы, коллектора  и поверхностное сопротивление эмиттера принимаем в соответствии с полученными результатами программного расчета (см. рисунок 3.3)

3.2.2 Рассчитываем погрешность воспроизведения коэффициента формы: