Изготовление биполярных интегральных микросхем

Содержание

Введение

1. Технология изготовления полупроводниковых ИМС

1.1 Подготовка полупроводниковой подложки

1.2 Окисление

1.3 Фотолитография

1.4 Диффузия

1.5 Эпитаксия

1.6 Технология изготовления биполярных интегральных структур

2.Технологические операции планарно-эпитаксиальной технологии биполярных ИМС

2.1 Окисление для создания маски при диффузии примеси n - типа

2.2 Фотолитография: создание окон в окисле “под скрытые n+- слои”

2.3 Диффузия (создание скрытых n+-слоёв)

2.4 Стравливание окисла со всей поверхности

2.5 Формирование эпитаксиального n-слоя

3.Расчётная часть

Выводы

Литература



Введение

Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС) во всех радиотехнических системах и аппаратуре. Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых радиоэлектронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов в ней. За каждое десятилетие число элементов в аппаратуре увеличивается в 5--20 раз. Разрабатываемые сейчас сложные комплексы аппаратуры и системы содержат миллионы и десятки миллионов элементов. В этих условиях исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризации электрорадиокомпонентов и комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.

Интегральная и функциональная микроэлектроника являются фундаментальной базой развития всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры. Они позволяют создавать новый вид аппаратуры -- интегральные радиоэлектронные устройства. Микроэлектроника -- одно из магистральных направлений в радиоэлектронике, и уровень ее развития в значительной степени определяет уровень научно-технического прогресса страны.

Применяют два основных метода изготовления ИМС: полупроводниковый и пленочный.

Полупроводниковый метод заключается в локальной обработке микроучастков полупроводникового кристалла и придании им свойств, присущих функциям отдельных элементов и их соединений (полупроводниковые интегральные микросхемы).

Полупроводниковая интегральная микросхема обычно представляет собой кристалл кремния, в приповерхностном слое которого с помощью методов полупроводниковой технологии сформированы области, эквивалентные элементам электрической схемы, а также соединения между ними. Так как исходный кремний обладает определенной проводимостью, для изоляции элементов друг от друга принимают специальные меры. Технологические процессы изготовления полупроводниковых интегральных микросхем носят групповой характер, т. е. одновременно изготовляется большое число ИМС.

Современная микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами. При этом основным направлением остается дальнейшее совершенствование полупроводниковой интегральной микроэлектроники. Происходит значительный рост степени интеграции как за счет уменьшения размеров элементов, так и за счет увеличения размеров базового кристалла. Успехи в развитии этого направления обусловлены значительным усовершенствованием групповой технологии интегральных микросхем. В первую очередь сюда следует отнести: прогресс электронного материаловедения, улучшение качества технологического и контрольного оборудования, появление и развитие качественно новых технологий (электронная и ионная литография, молекулярная эпитаксия, гетероэпитаксия, ионно-плазменная техника и др.), освоение ряда важных процессов (самосовмещение, устойчивое получение сверхтонких слоев, применение силицидов кремния, ядерное легирование, ионная имплантация, лазерный отжиг и др.).

Разработка и широкий выпуск интегральных микросхем (ИМС) на основе МОП-технологии, а в дальнейшем КМОП-технологии позволяют создавать большие интегральные схемы (БИС) с высокой степенью интеграции. Наиболее перспективными устройствами, создаваемыми на основе БИС, можно считать микропроцессоры (МП). Появление микропроцессоров связывают с революционным скачком в электронной технике. Благодаря широким возможностям МП насчитывается огромное множество областей их применения, практически во всех областях техники. Основу микропроцессора составляют арифметико-логические устройства, регистры для выполнения операций вычисления и изменения адресов в программе и оперативные запоминающие устройства.

Микроэлектроника продолжает развиваться быстрыми темпами. На очереди широкое использование ее достижений, особенно микропроцессоров, в различных отраслях промышленности. Начавшееся внедрение в промышленность различных типов роботов ставит перед микроэлектроникой новые проблемы, в первую очередь снабжение роботов искусственным интеллектом и оснащение их сенсорными системами, способными обеспечить адекватные реакции робота на изменения внешних условий. Это довольно сложные проблемы, однако успехи современной микроэлектроники, в первую очередь разработка сверхбольших интегральных схем, позволяют вести глубокие исследования в этом направлении.



1. Технология изготовления полупроводниковых ИМС

При создании различных по функциональному назначению ИМС в настоящее время используется планарная технология, обеспечивающая воспроизводимые параметры интегральных элементов и групповые методы их производства. Локальные технологические обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря применению свободных и контактных масок. В планарной технологии многократно повторяются однотипные операции для создания различных по структуре ИМС. Это позволяет выделить не-большое число основных технологических операций и рассмотреть их более подробно. Основные технологические операции при изготовлении ИМС, формирующие интегральный элемент, касаются полупроводниковой структуры. Их можно свести к следующим : подготовка полупроводниковой подложки; окисление; фотолитография; диффузия; эпитаксия; ионное легирование; металлизация.

1.1 Подготовка полупроводниковой подложки

Заключается в последовательной механической обработке ее. Подложки кремния шлифуют до заданной толщины, затем полируют, подвергают травлению и промывают. Эпитаксиальные структуры не требуют дополнительной механической обработки, а лишь подвергаются травлению и промывке перед процессами создания схем.

1.2 Окисление

На поверхности кремния выращивается плотная пленка двуокиси кремния, которая имеет близкий к кремнию коэффициент теплового расширения, что позволяет использовать ее как надежное защитное покрытие, а также как изолятор отдельных компонентов ИМС, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах.

Наиболее технологичным методом получения пленок SiO2 является термическое окисление поверхностей кремния. В качестве окисляющей среды используются сухой или увлажненный кислород либо пары воды. Температура рабочей зоны при окислении 1100 - 1300 ?С. Окисление проводится методом открытой трубы в потоке окислителя. В сухом кислороде выращивается наиболее совершенный по структуре окисный слой, но процесс окисления при этом проходит медленно (Т = 1200 ?С), толщина d слоя SiO2 составляет 0, 1 мкм). На практике целесообразно проводить окисление в три стадии: в сухом кислороде, влажном кислороде и снова в сухом. Для стабилизации свойств защитных окисных слоев в процессе окисления в среду влажного кислорода или паров воды добавляют борную кислоту, двуокись титана, пятиокись ванадия и др.

Кроме термического, используются химическое, анодное и плазменное окисления кремния. Широко применяется для получения двуокиси кремния пиролиз кремнийорганических соединений, хлоридов и силонов кремния.

1.3 Фотолитография

Это создание на поверхности подложки защитной маски малых размеров практически любой сложности, используемой в дальнейшем для проведения локальных процессов травления, диффузии, эпитаксии и др. Образуется она с помощью фоточувствительного слоя (фоторезиста), который под действием света изменяет свою структуру. По способности изменять свойства при облучении фоторезисты бывают негативные и позитивные.

Освещение негативного фоторезиста вызывает дополнительную полимеризацию его молекул, вследствие чего после проявления пластины полупроводника на ней остаются нерастворимые участки рисунка, которые представляют собой негативное изображение фото-шаблона, а неосвещенные участки фоторезиста смываются в растворителе при проявлении.

В позитивном фоторезисте под действием света происходит разрушение молекул. При проявлении такой фоторезист удаляется с освещенных участков, а на поверхности пластины остается позитивное изображение фотошаблона.

Фоторезист должен быть чувствительным к облучению, иметь высокие разрешающую способность и кислотостойкость.

Для создания определенного рисунка с помощью фоторезиста используется фотошаблон, представляющий собой плоскопараллельную пластину из оптического стекла, на поверхности которой содержится рисунок, соответствующий по размерам будущей микросхеме. Фотошаблон содержит до 2000 изображений одной микросхемы.

Последовательность фотолитографического процесса состоит в следующем.

На окисленную поверхность кремния с толщиной окисла 3000 - 6000 A наносят слой фоторезиста с помощью центрифуги. Фоторезист сушат сначала при комнатной температуре, затем при температуре 100 - 150 ?С.

Подложку совмещают с фотошаблоном и облучают ультрафиолетовым светом. Засвеченный фоторезист проявляют, а затем промывают в де ионизированной воде. Оставшийся фоторезист задубливают при комнатной температуре и температуре 200 ?С в течение одного часа, после чего окисленная поверхность кремния открывается в местах, соответствующих рисунку фотошаблона. Открытые участки окисла травят в специальных буферных травителях (например, 10 мл HF и 100 мл NH4F в воде).

На участки окисла, покрытые фоторезистом, травитель не действует. После травления фоторезист растворяют органическим растворителем и горячей серной кислотой. Поверхность пластины тщательно промывают. На поверхности кремния остается слой SiO2, соответствующий рисунку схемы.



1.4 Диффузия

Локальная диффузия является одной из основных технологических операций при создании полупроводниковых ИМС.

Диффузия в полупроводниковых кристаллах представляет собой направленное перемещение приемных атомов в сторону убывания их концентрации. При заданной температуре скорость диффузии определяется коэффициентом диффузии, который равен числу приемных атомов, проходящих через поперечное сечение в 1 см2 за 1 с при градиенте концентрации 1 см-4. Температурная зависимость коэффициента диффузии определяется выражением:

D = D0 exp (? ?a / ?T);

где Do кажущийся коэффициент диффузии, a ?энергия активации, необходимая для перевода атома примеси в соседний узел решетки, эВ.

В качестве легирующих примесей в кремнии используются в основном бор и фосфор, причем бор создает примеси акцепторного типа, а фосфор ? донорного. Для бора и фосфора энергия активации соответственно равна 3,7 и 4,4 эВ.

Характер процесса диффузии описывается двумя основными законами. Для одномерного процесса первый закон диффузии: I = ? D ,

где I ? плотность потока атомов примеси, проникающих в область с меньшей концентрацией за 1 с, см-2 ? с-1; ? градиент концентрации примеси в направлении x, см-4.

Второй закон диффузии определяет скорость накопления растворенной примеси в любой плоскости, перпендикулярной к направлению диффузии = D , где ? изменение концентрации диффундирующего вещества в зависимости от времени диффузии.

В производстве ИМС реализуются оба случая диффузии. Диффузия из неограниченного источника представляет собой первый этап диффузии, в результате которого в полупроводник вводится определенное количество примеси. Этот процесс называют загонкой примеси.

Локальную диффузию проводят в открытые участки кремния по методу открытой трубы в потоке газа - носителя. Температурный интервал диффузии для кремния составляет 950 - 1300 ?С. Кремниевые пластины размещают в высокотемпературной зоне диффузионной печи. Газ - носитель в кварцевой трубе при своем движении вытесняет воздух. Источники примеси, размещенные в низкотемпературной зоне, при испарении попадают в газ - носитель и в его составе проходят над поверхностью кремния.

Источники примеси, применяемые в производстве ИМС, могут быть твердыми: жидкими и газообразными. В качестве жидких источников используются хлорокись фосфора POCl3 и BBr3. После установления температурного режима в рабочую зону печи поступает кислород, что способствует образованию на поверхности кремния фосфора - и боросиликатного стекла. В дальнейшем диффузия проходит из слоя жидкого стекла. Одновременно слой стекла защищает поверхность кремния от испарения и попадания посторонних частиц. Таким образом, в локальных участках кремния происходит диффузия легирующей примеси и создаются области полупроводника с определенным типом проводимости.

1.5 Эпитаксия

Представляет собой процесс роста монокристалла на ориентирующей подложке. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую решетку подложки. Толщина его может быть от монослоя до нескольких десятков микрон. Эпитаксиальный слой кремния можно вырастить на самом кремнии. Этот процесс называется авто - или гомоэпитаксией. В отличие от автоэпитаксии процесс выращивания монокристаллических слоев на подложках, отличающихся по химическому составу, называется гетероэпитаксией.

Эпитаксиальный процесс позволяет получать слои полупроводника, однородные по концентрации примесей и с различным типом проводимости (как электронным, так и дырочным). Концентрация примесей в слое может быть выше и ниже, чем в подложке, что обеспечивает возможность получения высокоомных слоев на низкоомной подложке.

В производстве эпитаксиальные слои получают за счет реакции на поверхности подложки паров кремниевых соединений с использованием реакции восстановления SiCl4, SiBr4.

Процесс эпитаксиального наращивания проводится в специальных установках, рабочим объемом в которых является кварцевая труба, а в качестве газа-носителя используются водород и азот. Водород перед поступлением в рабочий объем многократно очищается от кислорода, паров воды и других примесей. При установившейся рабочей температуре в поток газа-носителя добавляется хлористый водород и производится предварительное травление подложки. После этого вводятся в поток газа SiCl4 и соответствующие легирующие примеси.

1.6 Технология изготовления биполярных интегральных структур

Элементы биполярных интегральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей полупроводниковой подложке. В нашем случае используеться подложка: 1А5 КДБ 7,5/0.1-60. Каждый элемент схемы формируется в отдельной изолированной области, а соеди-нения между элементами выполняются путем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция межу элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными p - n переходами и диэлектриком. Изоляция обратносмещенным переходом реализуется следующими технологическими методами: разделительной; коллекторной изолирующей диффузией; базовой изолирующей диффузией; методом трех фотошаблонов; изоляцией n- полостью.

Для изоляции элементов ИМС диэлектриком используют слой SiO2 и Si3N4, ситалл, стекло, керамику, воздушный зазор. Технологические методы создания ИМС с диэлектрической изоляцией - это: эпик - процесс, изапланарный, эпипланарный, полипланарный; метод вертикального изотропного травления; методы изоляции воздушным зазором с помощью диэлектрического основания, балочных выводов, кремния на сапфире или шпинели.

Наиболее распространенным является эпитаксиально - диффузионный метод разделительной диффузии. Для создания транзисторной структуры n-p-n используется подложка p-кремния. Пластина кремния окисляется в атмосфере влажного и сухого кислорода. После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной примеси с малым коэффициентом диффузии (As, Sb) и формируется скрытый высоколегированный слой n+ глубиной около 2 мкм.

Примесь с малым коэффициентом диффузии необходимо использовать, чтобы свести к минимуму изменение границ скрытого слоя при последующих высокотемпературных технологических операциях. После этого с поверхности полностью удаляется слой окисла и пластина очищается. На очищенной поверхности кремния выращивается эпитаксиальный слой n-типа толщиной 10-15 мкм с удельным сопротивлением 0,1 - 10 Ом*см. Поверхность эпитаксиального слоя оксидируется. В слое окисла проводится вторая фотолитография и создаются окна для локальной разделительной диффузии.

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 осуществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кремния формируются отдельные области полупроводника, раз-деленные p-n переходами. В каждой изолированной области в результате последующих технологических операций формируется интегральный элемент.

Для проведения базовой диффузии процессы очистки поверхности, окисления и фотолитографии повторяются, после чего проводится двухстадийная диффузия бора: первая при температуре 950-1000 ?С, вторая при температуре 1150-1200 ?С.

Эмиттерные области формируются после четвертой фотолитографии. Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 оС. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор.

Для получения омических контактов производится пятая фотолитография, в результате которой в защитном окисном слое вскрываются окна под контакты.



2. Технологические операции планарно-эпитаксиальной технологии биполярных ИМС

2.1 Окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n-типа

При окисление кремниевой пластины получается пленка двуокиси кремния(SiO2), которая выполняет следующие основные функции: функцию защиты-пассивации по верхности и, в частности, защиты верти- кальных участков p-n-переходов, выходящих на поверхность; функцию маски, через окна в которые вводятся необходимые примеси.

Искусственное окисление кремния осуществляется обычно при высокой температуре (1000-1200° С). Такое термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление), или просто с парами воды.

2.2 Фотолитография: создание окон в окисле “под скрытые n+- слои”

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске SiO2, покрывающей поверхность кремниевой пластины, состоит в следующем.

На окисленную поверхность

пластины наносится капля фоторезиста. С

помощью центрифуги каплю распределяют тонким слоем (около 1 мкм) по всей поверхности.

Полученную пленку фоторезиста высушивают до затвердевания. На пластину, покрытую фоторезистом, накладывают фотошаблон и экспонируют его в лучах кварцевой лампы. После этого фотошаблон снимают.



2.3 Диффузия (создание скрытых n+-слоёв)

Наиболее широкое распространение получила транзисторная структура типа n+-p-n со скрытым подколлекторным n+-слем. Так как вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора, то имеет место увеличения сопротивления тела коллектора и ухудшение характеристик 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. Конструктивно он располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина слоя 2,5 - 10мкм, удельное поверхностное сопротивление ?s=10?30 Ом/

2.4 Стравливание окисла со всей поверхности

Сущность травления заключается в реакции травителя с твёрдым телом с образованием растворимого соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. Различают следующие виды травления: механическое, химическое, электролитическое,ионное, анизотропное. Рецептура травителей для каждого материала подбирается экспериментально.



2.5 Формирование эпитаксиального n-слоя

Эпитаксией называется процесс наращивания органических слоёв на подложку, при котором кристалло-графическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

Типовой хлоридный процесс эпитаксии применительно к кремнию состоит в следующем. Монокристаллические кремниевые пластины загружают в тигель «лодочку» и помещают в кварцевую трубу. Через трубу пропускают поток водорода, содержащий небольшую примесь тетрахлорида кремния SiCl4. При высокой температуре (около 1200?? С ), которая обеспечивается высокочастотным нагревом тигля, на поверхности пластин происходит реакция SiCl4 + 2H2 = Si +4Hl.

В результате реакции на подложке постепенно осаждается слой чистого кремния, а пары HCl уносятся потоком водорода. Эпитаксиальный слой осаждённого кремния монокристалличен и имеет ту же кристаллографическую ориентацию, что и подложка. Химическая реакция, благодаря подбору температуры, происходит только на поверхности пластины, а не в окружающем пространстве.

Общее окисление

На данном этапе производится окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии.

Фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию

Эта операция производится с целью вскрытия окон под разделительную диффузию.

Проведение разделительной диффузии и создание изолированых карманов

Создаются разделительный р-слой Т и изолированный n-карман в эпитак-сиальном слое.

Окисление

Фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию

Создаются окна в окисле «под базовую диффузию».

Формирование базового слоя диффузией примеси р-типа

Создаётся базовый р-слой. Используется двухстадийная диффузия. В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят Некоторое количество атомов диффузанта, а потом источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их количестве. Первую стадию называют «загонкой», вторую - «разгонкой» примеси. В качестве диффузанта используется - бор.

Фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию

Создаются окна в окисле «под эмиттерную диффузию и омические контакты коллектора».

Формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа

Создаётся эмиттерный n+-слой. Диффузант - фосфор.

Фотолитография для вскрытия контактных окон

Создаются окна в окисле «под омические контакты».

Напыление плёнки аллюминия

Существует три основных метода нанесения тонких плёнок на подложку: термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление (катодное и собственно ионно-плазменное) и элек-трохимическое осаждение.

Фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика

Для создания рисунка разводки и нанесения слоя защитного диэлектрика. Основным материалом для разводки служит алюминий в силу следующих качеств: малое удельное сопротивление.



3. Расчётная часть

Расчет параметров интегрального резистора

Расчёт интегрального резистора проводиьтся с помощью ЭВМ и программы, которая по исходным данным выводит на экран все параметры интегрального транзистора.

Все резисторы нашей схемы являються дифузионными и выполняються в базовом слое (?s=200 Ом/?)

Исходные данные:

R1 Номинал резистора = 10000 Ом

Допуск = 20 %

Допустимая мощность = 2,5 мВт

Диапазон температур = 50 градусов

Шаг координатной сетки = 0,5 мм

Масштаб = 400:1

Число клем резистора = 2

Число изгибов резистора = 4

R2 Номинал резистора = 2200 Ом

Допуск = 20 %

Допустимая мощность = 11,36 мВт

Диапазон температур = 50 градусов

Шаг координатной сетки = 0,5 мм

Масштаб = 400:1

Число клем резистора = 2

Число изгибов резистора = 0

R3 Номинал резистора = 360 Ом

Допуск = 20 %

Допустимая мощность = 1 мВт

Диапазон температур = 50 градусов

Шаг координатной сетки = 0,5 мм

Масштаб = 400:1

Число клем резистора = 2

Число изгибов резистора = 0

R4 Номинал резистора = 1400 Ом

Допуск = 20 %

Допустимая мощность = 17,86 мВт

Диапазон температур = 50 градусов

Шаг координатной сетки = 0,5 мм

Масштаб = 400:1

Число клем резистора = 2

Число изгибов резистора = 0

R5 Номинал резистора = 1200 Ом

Допуск = 20 %

Допустимая мощность = 4,44 мВт

Диапазон температур = 50 градусов

Шаг координатной сетки = 0,5 мм

Масштаб = 400:1

Число клем резистора = 2

Число изгибов резистора = 0

Результаты расчетов:

R1 Промежуточная ширина резистора

на маске = 5 мкм на кристалле = 8,6 мкм

Окончательная ширина резистора

на маске = 5 мкм на кристалле = 8,6 мкм

Промежуточная длина резистора

на маске = 408,66 мкм на кристалле = 405,06 мкм

Окончательная длина резистора

на маске = 408,75 мкм на кристалле = 405,15 мкм

Резистор получится в форме гантели

Реальний номинал резистора = 10002,09 Ом

Ширина резистора на чертеже = 2 мм

Длина резистора на чертеже = 163,5 мм

R2 Промежуточная ширина резистора

на маске = 11,549 мкм на кристалле = 15,149 мкм

Окончательная ширина резистора

на маске = 12,5 мкм на кристалле = 16,1 мкм

Промежуточная длина резистора

на маске = 171,04 мкм на кристалле = 167,44 мкм

Окончательная длина резистора

на маске = 171,25 мкм на кристалле = 167,65 мкм

Резистор получится в форме полоски

Реальний номинал резистора = 2202,609 Ом

Ширина резистора на чертеже = 5 мм

Длина резистора на чертеже = 68,5 мм

R3 Промежуточная ширина резистора

на маске = 7,511 мкм на кристалле = 11,111 мкм

Окончательная ширина резистора

на маске = 7,5 мкм на кристалле = 11,1 мкм

Промежуточная длина резистора

на маске = 16,92 мкм на кристалле = 13,32 мкм

Окончательная длина резистора

на маске = 17,5 мкм на кристалле = 13,9 мкм

Резистор получится в форме полоски

Реальний номинал резистора = 370,45 Ом

Ширина резистора на чертеже = 3 мм

Длина резистора на чертеже = 7 мм

R4 Промежуточная ширина резистора

на маске = 20,211 мкм на кристалле = 23,811 мкм

Окончательная ширина резистора

на маске = 21,25 мкм на кристалле = 24,85 мкм

Промежуточная длина резистора

на маске = 162,64 мкм на кристалле = 159,04 мкм

Окончательная длина резистора

на маске = 163,75 мкм на кристалле = 160,15 мкм

Резистор получится в форме полоски

Реальний номинал резистора = 1408,934 Ом

Ширина резистора на чертеже = 8,5 мм

Длина резистора на чертеже = 65,5 мм

R5 Промежуточная ширина резистора

на маске = 9,224 мкм на кристалле = 12,824 мкм

Окончательная ширина резистора

на маске = 10 мкм на кристалле = 13,6 мкм

Промежуточная длина резистора

на маске = 75,68 мкм на кристалле = 72,08 мкм

Окончательная длина резистора

на маске = 76,25 мкм на кристалле = 72,65 мкм

Резистор получится в форме гантели

Реальний номинал резистора = 1208,382 Ом

Ширина резистора на чертеже = 4 мм

Длина резистора на чертеже = 30,5 мм

Расчет параметров интегрального транзистора

Задание исходных данных:

Название параметра

Численные данные для нашего примера

Максимально допустимое напряжение К-БUКБmax6 В

Рабочее напряжение "коллектор-база"UКБ5 В

Рабочее напряжение "коллектор-эмиттер"UКЭ5 В

Максимальное обратное напряжение Э-БUЭБ1 В

Глубина коллекторного переходаxjk3 мкм

Приповерхностная концентрация акцепторовNas1018

По заданному напряжению UКБmax определяю пробивное напряжение UКБ0: UКБ0 = 1,2*UКБmax = 1,2*6,3 = 7,56 [В]

При расчете пробивного напряжения значение UКБ0 следует утроить:

UКБпроб = 3*UКБ0 = 3*7,56 = 23 [В]

Концентрация доноров NдК в эпитаксиальном слое:

NдК = (6.1013/ UКБпроб)4/3

NдК = (6.1013/23)4/3 = 3,6*1016 [см-3]

Подвижность электронов ?n(NдК) для электронов в кремнии при Т = 300 К): n(NдК) =1265 / (1 + (NдК /8,5*1016)0,72 = 1265 / (1 + (3,6*1016/8,5*1016)0,72 =980 [см2/(В.с)]

Удельное сопротивления коллекторного (эпитаксиального) слоя при температуре Т = 300 К:

VK = 1 / (q*?n (NдК)* NдК )

VK= 1 / (1,6.10-19 *980* 3,6*1016) = 0,18 [Ом/см3]

Характеристическая длина распределения примесей акцепторов Lа и доноров Lд:

Lа = хjK / ln (Nas/NдК) = 3 / ln(1018/3,6*1016) = 0,902 [ мкм ]

Lд = 0,2*Lа = 0,2*0,902 = 0,18 [ мкм ]

Контактная разность потенциалов на коллекторном переходе:

К = Т*ln (NдК/ni)2 = 0,026* ln (3,6*1016/(2.1010))2 = 0,84 [ В ]

Предварительный расчет ширины ОПЗ, распространяющейся в сторону базы (х_КБ) и коллектора (х_КК) при максимальном смещении коллекторного перехода U_КБmax :



х_КБ = L_а· ln [ 1+(( 2·_КК+2·U_КБmax)/U₀)^0.5]

где U₀- вспомогательный потенциал (условная величина, входящая в ряд формул в качестве коэффициента):

U₀ = q·N_дК ·L_а² / (·₀)

U₀=1,6^.10^-19 ·3,6·10¹⁶ ·0,9² / (12 · 8,85·10^-14 ) = 44,5 [В]

х_КБ =1· ln [1 + ((1 + 2 (0,84 + 6,3)/44,5)^1/2 ] = 0,764 [мкм]

х_КК имеет другое значение в силу экспоненциальной зависимости концентрации акцепторов от глубины, ее изменения в коллекторном слое будут более плавными и, следовательно, распространение ОПЗ в сторону коллектора х_КК будет больше:

х_КК = L_а· ln [ 1+(( 2·_КК+2·U_КБmax)/U₀)^1/2 ] - х_КБ

х_КК=1· [1 + ((1 + 2 (0,84 + 6,3)/44,5)^1/2 ] - 0,737 = 1,383 [мкм]

Выбираю w_К = 1,5 мкм. Ширина технологической базы:

w_Б0=(1,5 - 2,0) х_КБ > х_КБ

w_Б0=1,85·0,71 = 1,3 [мкм]

Приповерхностная концентрация доноров N_дsЭ:

N_дsЭ = N_аs· e^-xjЭ/Lа / e^-xjЭ/Lд

где x_jЭ- глубина залегания эмиттера

x_jЭ = x_jК - w_Б0 = 3 - 1,3 = 1,7 [мкм]

N_дsЭ=3,6·10¹⁶·exp(1,7/0,9) = 1,7·10¹⁷ [см^-3]



Концентрация акцепторов на эмиттерном переходе:

N_а(х_jЭ) = N_аs·ехр(-х_jЭ / L_а)

N_а(х_jЭ) =10¹⁸·еxp(-1,7/0,9) = 10¹⁷ [см^-3]

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе:

_Э = _Т ln(N_а(х''_Э)^.N_д(x'_Э) /n_i²),

где х'_Э - граница ОПЗ эмиттерного перехода со стороны эмиттера;

x''_Э - граница ОПЗ эмиттерного перехода со стороны базы.

Здесь вносятся погрешности в значения (N_а(х''_Э)^.N_д(x'_Э), но эти погрешности разнополярны и несколько компенсируют друг друга. Численное значение к.р.п. эмиттерного перехода:

_Э = _Т ln (N_аБ^.N_дЭ/n_i²)

_Э = 0.026· ln(8,6·10¹⁶ /2^.10¹⁰)² = 0,79 [В]

Так как эмиттер всегда легирован сильнее базы, ОПЗ эмиттерного перехода в основном придется на базу. Поэтому можно считать, что х_ЭБ х_Э, где ширина ОПЗ эмиттерного перехода

х_Э = [(2··₀·(_Э +U_Эmax)/(q·N_а(х_jЭ)))]^0.5

х_Э = [(2·12· 8,85·10^-14 (0,79+1)/(1,6·10^-19·10¹⁷))]^0.5 = 0,15 [мкм]

Коррекция ширины технологической базы. Чтобы ОПЗ эмиттерного и коллекторного переходов в области базы не сомкнулись и чтобы ширина активной базы была больше нуля, должно выполняться условие:

w_Б0 > х_КБ + х_Э =1,3> 0,71+ 0,16 =1,31>0,89 [мкм]



Активная ширины базы:

w_Ба = w_Б0 - х'_КБ - х'_Э

w_Ба =1,3 - 0,764 - 0,15 = 0,386 [мкм]

Коэффициент диффузии электронов в базе с учетом зависимости подвижности от концентрации примесей :

D_n = _Т^._n:

D_n = 0,026·1265 / (1 + (7·10¹⁶/1,5·10¹⁷)^0.6) = 20 [cм²/c]

Коэффициент инжекции электронов из эмиттера в базу:

_n = 1 - (1,7 / D_n)·( w_Ба·L_a/_p) = 1 - (1,7/20)^.( 0,386· 0,9/0,01)·10^-2 = 0,997

где- _n и _p - время жизни электронов и дырок в базе _{n p} = 0.1 [мкс]

Коэффициент усиления базового тока:

= /(1-)

= 0.99702/(1 - 0,997) = 334,5

Определение площади донной части коллекторного перехода:

S_Бдон= 0,8·С_Ко/(·₀)·(2··_0·U_КБ/( q·N_а(х_jЭ))^1/2

S_Бдон=0,8·10^-12/(12·8,85·10^-14)·(2·12·8,85·10^-14·0,84/(1,6·10^-19·3,6·10¹⁶))^1/2= 1325 [мкм²]

Считая, что коллекторный переход имеет квадратную форму, находим сторону квадрата базы а_Б =(1325)^1/2 = 36 [мкм]

Определение площади донной части коллекторного перехода по критерию допустимой мощности:

S_Бдон=Р_Кmax/P_o

S_Бдон= 78,3·10^-6/4,5 = 17,3 [мкм²]

а_К =(17,3)^1/2 = 4 [мкм]



Выводы

В данной работе была разработана и рассчитанная топология интегральной схемы и ее элементов. В результате была полученная схема что удовлетворяет техническое задание. Топология рассчитана с учетом возможностей технического оборудования. Схема расчета была значительно упрощена, не рассчитывалась часть параметров, не учитывались некоторые факторы. Что есть не допустимо в случае практического расчета на современном предприятии.

Однако задание выдвинуто для выполнения было значительно проще, чем те разрабатываются реально, а допуски и ограничения значительно шире. Что позволило использовать значение допусков значительно больше за необходимых, и компенсировать упрощение во время расчета. Так все расстояния между элементами брались в несколько раз больше минимальных.



Литература

1.Расчет и конструирование микросхем. Калниболотский Ю.М., Королев Ю.В., Богдан Г.И., Рогоза В.С.- Киев: Вища школа. Головное изд-во, 1983.-279 с.

2. «Конструирование и технология микросхем»/ Под ред. Л.А. Коледова.- М.: Высш. шк., 1984. 231 с., ил.

3.Основы микроэлектроники. Степаненко И.П. -М.: Сов. Радио,1980.-420с.