Разработка пакета учебно-прикладных программ по дисциплине «Проектирование интегральных микросхем»

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОБЩИе теоретические сведения
• 1.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУРА ппИС
• 1.1.1 Изделия микроэлектроники: классификация, термины, определения
• 1.1.2 Основания выбора конструктивных материалов ППИС
• 1.1.3 Технологические процессы производства ППИС
• 1.1.4 Принцип действия биполярного транзистора
• 1.1.5 Диоды в ППИМС
• 1.2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ ППИС
• 1.2.1 Характеристики диффузионных резисторов
• 1.2.2 Требования к размещению и ограничения
• 2. Разработка пакета учебно-прикладных программ
• 2.1 Структура пакета
• 2.2 Лабораторная работа № 1 «Изучение конструкции ППИС на биполярных транзисторах»
• 2.3 Лабораторная работа № 2 «Расчет параметров диффузионных резисторов»
• зАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
• ПРИЛОЖЕНИЯ

Целью данной дипломной работы является разработка пакета учебно-прикладных программ по дисциплине «Проектирование интегральных микросхем».

Данный пакет предназначен для изучения студентами:

— технологии полупроводниковых интегральных микросхем на биполярных транзисторах;

— основных принципов проектирования полупроводниковых интегральных микросхем на биполярных транзисторах;

— конструирования и расчетов параметров диффузионных резисторов ППИС.

Особенность полупроводниковой технологии в том, что активные и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который является основой полупроводниковой интегральной схемы (ППИС).

Преимущества ППИС перед гибридными ИС:

— выше надёжность благодаря меньшему числу контактных соединений, ограниченному количеству используемых материалов, а также, потому что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;

— большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;

— меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС.

Также полупроводниковые микросхемы обладают рядом недостатков. В частности, в полупроводниковом материале трудно получать пассивные элементы с заданными номинальными значениями. Кроме того, ППИС имеют низкую температурную стабильность и сильные паразитные связи между элементами, что усложняет конструирование схем и вызывает ухудшение качества схем.

Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования. При использовании хорошо отработанных технологических методов изготовления полупроводниковые микросхемы оказываются значительно надежнее и дешевле схем из навесных элементов. Стоимость элементов микросхемы, выполненной по полупроводниковой интегральной технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине.

Полупроводниковые микросхемы выпускаются промышленностью на основе биполярных и МДП структур. Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами, рассматриваемые в данной работе, отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой).

Номиналы пассивных элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС «чистые» резисторы с номиналом выше 50 кОм. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Кроме того, все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.

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.

1. ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУРА ППИС

1.1.1 Изделия микроэлектроники: классификация, термины, определения

Интегральная микросхема (микросхема) — это конструктивно законченное микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования информации, содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле. Термин «интегральная микросхема» отражает суммирование, объединение значительного числа электрорадиоэлементов (ЭРЭ) и соединяющих их проводников в единую конструкцию (конструктивная интеграция), выполнение функций преобразования более сложных по сравнению с функциями отдельных ЭРЭ (схемотехническая интеграция), создание одновременно всех ЭРЭ и межэлементных соединений в едином технологическом цикле (технологическая интеграция). Микросхемы изготовляют групповым методом по материалосберегающей технологии, тиражируя одновременно в одной партии от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч микросхем.

По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делят на три группы: полупроводниковые, пленочные и гибридные.

В полупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки.

Элемент интегральной микросхемы — это ее неотделимая составная часть, выполняющая функцию какого-либо электрорадиоэлемента. Поэтому транзисторы, диоды, конденсаторы, резисторы микросхемы называют интегральными, в отличие от отдельно изготовляемых транзисторов, диодов, конденсаторов, резисторов, которые в этом случае называют дискретными.

По типу используемых основных активных элементов полупроводниковые микросхемы подразделяют на биполярные и полевые (на МДП-транзисторах). Выпускаются также комбинированные биполярно-полевые полупроводниковые микросхемы, в которых наряду с биполярными используются и полевые транзисторы с p-n переходом, характеризующиеся высоким входным сопротивлением, низким уровнем шумов и повышенной радиационной стойкостью.

В пленочной интегральной микросхеме все элементы и соединения между ними выполнены в виде пленок. В настоящее время методами пленочной технологии реализуются только пассивные элементы микросхем — резисторы, конденсаторы и индуктивности. Попытки создания пленочных транзисторов успеха не имели.

Частью конструкции микросхемы является ее подложка. Она выполняет функции: механического основания, изоляции элементов друг от друга, теплоотвода. Подложки выпускаются в виде тонких круглых или прямоугольных пластин. Для полупроводниковых микросхем используют монокристаллические полупроводниковые (кремний, арсенид галлия) и монокристаллические диэлектрические (сапфир, шпинель) подложки. На последних в дальнейшем формируют слой полупроводникового материала, в котором создают элементы микросхем. Их круглая форма определяется способом получения монокристаллических слитков методом вытягивания их из расплава. Для тонкопленочных и гибридных микросхем используют подложки из стекла, стеклокристаллического материала (ситалла) и керамики.

Часть подложки, отведенную под одну микросхему, отделенную от других частей вместе со сформированными на ней элементами, в полупроводниковой технологии называют кристаллом, а в пленочной технологии — платой.

В настоящее время микросхемы выпускают в корпусном и бескорпусном исполнениях. Корпуса герметичны и защищают микросхемы от воздействия окружающей среды. Бескорпусные микросхемы предназначены для работы в составе радиоэлектронных устройств, которые целиком размещаются в герметизируемых объемах. Их покрывают лаком или заливают компаундами для защиты от внешних воздействий.

По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Если микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, то она называется цифровой (логической). К аналоговым относятся микросхемы, предназначенные для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В частном случае аналоговые микросхемы для преобразования и обработки сигнала, изменяющегося линейно, называют линейными.

Показателем сложности микросхемы является степень интеграции К, которая характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов N: K=gN, где К округляется до ближайшего большего целого числа. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

малые интегральные схемы (МИС) — это схемы 1…2-й степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов, например логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилитель, фильтр и т. п.;

средние интегральные схемы (СИС) — схемы 2…3-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до I ООО элементов и компонентов, в состав которых входят один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство);

большие интегральные схемы (БИС) — это схемы 3…4-Й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10 000 элементов, в состав которых входит одно или несколько функциональных устройств (например, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и др.);

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) — это интегральные микросхемы 5…7-й степени интеграции, представляющие собой законченное микроэлектронное изделие, способное выполнять функции аппаратуры (например, ЭВМ).

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные (в том числе, гибридные). По степени интеграции полупроводниковые микросхемы на биполярных транзисторах уступают интегральным микросхемам на МДП-транзисторах (табл. 1).

Таблица 1. Классификация микросхем по уровням интеграции

По применяемости в аппаратуре различают микросхемы широкого и частного применения. К последним относятся микросхемы, предназначенные для использования в конкретной аппаратуре и изготавливаемые непосредственно на предприятии, ее производящем.

В ряде случаев разработчики конкретной РЭА для улучшения показателей ее миниатюризации изготавливают микросборки, в состав которых входят элементы, компоненты, интегральные микросхемы и другие ЭРЭ. Микросборки по технологическому исполнению не отличаются от гибридных микросхем. И по функциональной сложности, и по степени интеграции микросборки, как правило, соответствуют БИС. Однако в отличие от них они не выпускаются как самостоятельные изделия широкого применения, а являются микроэлектронными изделиями частного применения, разрабатываемыми для конкретной МЭА.

1.1.2 Основания выбора конструктивных материалов ППИС

Материал, используемый для изготовления полупроводниковой интегральной микросхемы, должен определяться параметрами, зависящими от свойств материала, а именно: от оптических, термических, термоэлектрических свойств, зонной структуры, ширины запрещённой зоны, положения в ней примесных уровней и т. д.

Немаловажное значение играют электрические свойства материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.

К основным требованиям, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных МС, относятся:

1. стойкость к химическому воздействию окружающей среды;

2. монокристаллическая структура;

3. однородность распределения;

4. устойчивость к химическим реагентам;

5. механическая прочность, термостойкость;

6. устойчивость к старению и долговечность.

При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния (табл. 2). Применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных ниже соединений, однако наиболее распространённым в этой области является кремний, германий в современном производстве ИМС не используется.

Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами.

Таблица 2. Основные свойства полупроводниковых материалов.

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния pили nтипа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми «скрытыми» слоями (рис. 1).

Рис. 1. Структура элементов полупроводниковой ИС.

Кремний в химическом отношении при комнатной температуре является весьма инертным веществом — не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900? С, при повышении температуры — окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов.

Далее в качестве подложки будет рассматриваться кремний, у которого следующие преимущества перед германием:

1. Большая ширина запрещённой зоны, что даёт возможность создавать резисторы с большими номинальными значениями;

2. Более высокие рабочая температура и удельные нагрузки;

3. Транзисторы работают при значительно больших напряжениях;

4. Меньшие токи утечки в p-n переходах;

5. Более устойчивая к загрязнениям поверхность;

6. Плёнка двуокиси кремния, созданная на его поверхности, имеет коэффициенты диффузии примесей значительно меньше, чем сам кремний. [5, с.144−156].

После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Применяемые материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать 10^-5…10^-9 частей основного материала.

В таблице 3 описаны материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования.

Таблица 3. Наиболее распространенные примеси в полупроводниках [3, с. 318].

Изменяя определенным образом концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до известной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, диоду или транзистору.

Далее при рассмотрении характеристик диффузионных резисторов в качестве акцепторной примеси рассматриваются бор и фосфор и сурьма — как донорная примесь. В качестве изолирующего диэлектрика применяется двуокись кремния SiO₂, которая в свою очередь характеризуется следующим:

1. образует равномерное, сплошное, прочное покрытие на поверхности монокристаллического кремния; допускает строгий контроль толщины и имеет коэффициент термического расширения, примерно равный такому же коэффициенту кремния;

2. защищает кремний от диффузии;

3. является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;

4. легко стравливается или удаляется с локальных участков;

5. обеспечивает защиту поверхности кремния.

В полупроводниковых МС межэлементные связи осуществляются с помощью плёночных проводников. Материалы проводников должны обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и кремнием, быть металлургически совместимым с материалами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро.

Основным недостатком золота является не только его высокая стоимость, но и его плохая адгезия к плёнке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок чаще применяется алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнки, меньшей стоимостью. В качестве внешних выводов применяют золотую проволоку, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью.

Необходимо отметить, что одним из критериев выбора материала для подложки являются определенные требования, предъявляемые к подложкам в течение всего процесса изготовления микросхемы. Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров. Основные требования к пластинам кремния представлены в Приложении.

биполярный транзистор диффузионный резистор

1.1.3 Технологические процессы производства ППИС

Производство изделий микроэлектроники включает определенный ряд последовательно и параллельно проводимых обработок — операций, выполняя которые постепенно из исходных материалов получают готовые изделия. Технологическая операция — это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. Она характеризуется целенаправленным изменением исходного объекта (заготовки или полуфабриката) в процессе выполнения последовательных рабочих приемов — переходов. Технологическим переходом называется законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке. В процессе выполнения каждой технологической операции происходят качественные изменения обрабатываемых объектов: полупроводниковый слиток превращается в пластины, форма пластин и их поверхности становятся геометрически более точными, затем пластины становятся более чистыми, в них формируются области определенного типа электропроводности и т. д.

В зависимости от обрабатываемого объекта различают основные и вспомогательные технологические операции. Если обработке подвергаются объекты, которые при завершении производственного процесса преобразуются в требуемое изделие, то такие обработки относятся к основным операциям. Технологические операции, выполняемые над вспомогательными объектами, называются вспомогательными. К ним относятся, например, подготовка травителей, очистка оснастки, осушка газов. Вспомогательные операции являются частью производства и от качества их выполнения в не меньшей степени, чем от качества выполнения основных операций, зависит качество готовых изделий.

Эффективным средством повышения качества и процента выхода годных микросхем является контроль отсутствия дефектов после выполнения технологических операций. Поэтому в технологический производственный процесс вводят контрольные операции. Количество контрольных операций определяется типом и сложностью изделий.

Технология производства интегральных микросхем включает большое число разнообразных по своей физико-химической природе операций, проводимых в вакууме, газах, жидкостях и на воздухе. Количество операций в ряде случаев доходит до нескольких сотен.

Технологический процесс — это часть производственного процесса, действия по изменению и последующему определению состояния предмета производства. Технологический процесс изготовления микросхемы содержит определенное, по возможности оптимальное, число технологических операций, расположенных в определенной последовательности и обеспечивающих экономически обоснованное получение микросхем заданной конструкции с заданными электрофизическими параметрами. В массовом и серийном производстве применяют хорошо отработанные, проверенные типовые технологические процессы, доказавшие надежность микросхем в процессе эксплуатации. Такие технологические процессы характеризуются единством содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками.

Одну и ту же технологическую операцию можно реализовать различными (по физико-химической природе) технологическими методами. Например, технологическую операцию получения p-n перехода можно осуществить методами диффузии, эпитаксии, ионного легирования.

В соответствии с разделением производства на технологические участки различают следующие методы обработки: механические, химические, термические, фотолитографические, эпитаксиальные, элионики (обработка электронным и ионным лучами), сборки, герметизации и др.

Различают групповые и индивидуальные технологические методы. При групповых методах одновременной обработке подвергается не один образец, а целая партия. Обработка партии в одинаковых технологических условиях позволяет уменьшить разброс параметров от образца к образцу и увеличить производительность технологического процесса.

Технологические процессы производства изделий микроэлектроники, как правило, представляют собой совокупность групповых и индивидуальных методов обработки. Химическую обработку, отжиг пластин и подложек осуществляют групповым методом; операции контроля, разделения пластин на кристаллы, подложек — на платы гибридных интегральных микросхем проводят индивидуальным методом. Поскольку на одной пластине или плате формируют большое число микросхем, то индивидуальные методы обработки пластин и подложек являются групповыми по отношению к каждой отдельной микросхеме.

В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов, интегральных микросхем на биполярных транзисторах и микросхем на МДП-транзисторах господствующее положение занимает планарная технология. Существует более сотни различных ее модификаций. Движущей силой разработок новых вариантов планарной технологии явилась необходимость повышения: плотности размещения полупроводниковых приборов на кристалле; быстродействия микросхем; точности обработки материалов, качества и надежности микросхем и снижения их себестоимости. Совокупность технологических операций любого варианта планарной технологии направлена на: формирование полупроводниковой структуры, содержащей необходимые p-n переходы; изоляцию элементов друг от друга (для интегральных микросхем на биполярных транзисторах); формирование межэлементных и внешних электрических связей; осуществление защиты полупроводникового прибора и интегральной микросхемы от внешних воздействий.

Первые микросхемы начала 60-х годов содержали всего 6…8 транзисторов, диодов и резисторов, которых хватало для выполнения микросхемой простой логической функции. Для реализации сложных функциональных блоков ЭВМ (процессор) требуется несколько сотен таких микросхем. Первые микросхемы выполнялись на кремниевых кристаллах площадью в несколько квадратных миллиметров, и минимальные геометрические размеры элементов топологии не превышали 20 мкм.

За прошедшие годы полупроводниковая технология шагнула далеко вперед. Площадь кристалла увеличилась более чем в 10 раз. К середине 1970 г. минимальный проектный геометрический размер элементов микросхем уменьшился до 10 мкм, в конце 70-х годов обычным для производства микросхем стал размер 4 мкм, сейчас получены экспериментальные образцы микросхем с минимальным размером 1,5 мкм и даже 1 мкм.

Сегодняшняя полупроводниковая технология позволяет создавать на одном кристалле 10… 10 соединенных между собой элементов — это высшая из достигнутых степеней интеграции элементов в одном монолитном кусочке материала.

В настоящее время достижения технологии представляют собой всего лишь основу для дальнейшего роста быстродействия, степени интеграции микросхем (как минимум еще на порядок) и перехода на субмикронные минимальные геометрические размеры элементов (соизмеримые с размерами некоторых бактерий и молекул ДНК).

Большая часть задач, возникающих при разработке интегральных схем, в какой-то мере включает выбор компромиссного решения с учетом ряда противоречивых требований.

Поскольку все элементы одной ИС формируются в одном ПП кристалле, важной задачей является обеспечение между ними надёжной изоляции.

Наиболее простой является изоляция р-n переходом (диодная изоляция). В этом случае в кристаллической подложке из кремния с проводимостью р-типа, создают n-области («карманы»), в которых в дальнейшем формируют необходимые пассивные или активные элементы. Электрический переход между «карманом» и подложкой поддерживается в работающей ИС под обратным напряжением (на подложку подаётся отрицательное напряжение в несколько В). Переход в этом случае имеет очень высокое сопротивление (несколько МОм), играя роль изоляции.

Второй вид изоляции также предполагает наличие «карманов» для последующего формирования в них нужных элементов, но в этом случае между «карманом» и подложкой наносится тонкий диэлектрический слой SiO. Используют также и комбинированную изоляцию р-n переходом и диэлектриком (Изопланар I и Изопланар II).

В данной работе рассмотрены ППИС с изоляцией р-n переходом, которые лучше других схем удовлетворяют требованиям массового производства при условии, что допустимы свойственные им разброс и температурная нестабильность параметров пассивных элементов и паразитные элементы (например, ИС для бытовой аппаратуры).

Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов p-n переходами приведена на рис. 2.

1) 2)

3) 4)

5) 6)

7) 8)

9) 10)

11) 12)

13) 14)

15) 16)

17) 18)

Рис. 2. Последовательность операций планарно-эпитаксиальной технологии производства биполярных полупроводниковых ИМС с изоляцией элементов p-n-переходами.

На рис. 2:

1 — механическая обработка поверхности рабочей стороны Si пластины р-типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НС1 для удаления нарушенного слоя;

2 — окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n-типа;

3 — фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев;

4 — диффузия для создания скрытого n + -слоя;

5 — снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитаксиального наращивания;

6 — формирование эпитаксиальной структуры;

7 — окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии;

8 — фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

9 — проведение разделительной диффузии и создание изолированных карманов;

10 — окисление;

11 — фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

12 — формирование базового слоя диффузией примеси р-типа;

13 -окисление;

14 — фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

15 — формирование эмиттерного слоя диффузией примеси nтипа;

16 — фотолитография для вскрытия контактных окон;

17 — напыление пленки алюминия;

18 — фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика.

1.1.4 Структура и принцип действия биполярного транзистора

Транзистор является основным элементом полупроводниковых ИС. Это объясняется не только наиболее широким применением транзисторов вообще, но и тем, что все остальные элементы (диоды, резисторы, конденсаторы) формируются на основе полупроводниковых материалов областей транзисторной структуры.

Структура n-p-n биполярного транзистора приведена в Приложении 4. Название транзистора — биполярный — означает, что в физических процессах, проходящих в этом полупроводниковом приборе, участвуют как электроны, так и дырки. Движение носителей заряда может быть вызвано двумя причинами: наличием градиента концентрации носителей или наличием градиента электрического потенциала. В первом случае возникает диффузия носителей, во втором — дрейф носителей в электрическом поле. Если действуют обе причины, то полный ток носителей состоит из диффузионной и дрейфовой составляющих.

В полупроводнике р-типа основные носители — дырки, в полупроводнике п-типа — электроны. И в электронный, и в дырочный полупроводник могут быть тем или иным способом введены неосновные носители. Процесс введения неосновных носителей называется инжекцией. Предположим для определенности, что в поверхностный слой дырочного полупроводника осуществляется инжекция электронов. Инжектированные электроны благодаря градиенту концентрации начнут диффундировать с поверхности в объем полупроводника. В нем появится электронный ток. Избыточный заряд неосновных носителей — электронов — будет немедленно компенсирован таким же зарядом дырок, притягиваемых к поверхности из глубины полупроводника. Если инжекция неосновных носителей осуществляется постоянно под действием внешнего электрического поля, возникнут потоки электронов и дырок, направленные в разные стороны.

Неосновные носители — электроны — будут двигаться вглубь полупроводника, а основные носители — дырки — в сторону инжектирующей поверхности, вблизи которой происходит интенсивная рекомбинация дырок с электронами. Полный ток в цепи — величина постоянная, поэтому его электронная и дырочная составляющая меняются в разные стороны: с удалением от поверхности электронный ток убывает (из-за рекомбинации), а дырочный ток растет. Вдали от поверхности дырочная составляющая — главная и имеет чисто дрейфовый характер (дырки двигаются в поле, созданном внешним напряжением); наоборот, в непосредственной близости к поверхности ток почти чисто электронный и обусловлен диффузией электронов.

При инжекции электронов в неоднородно легированный полупроводник с внутренним электрическим полем, их диффузия будет сочетаться с дрейфом под действием этого поля. Так как легирование кремниевой пластины донорными или акцепторными примесями при изготовлении микросхем осуществляется с рабочей стороны поверхности, то в полупроводниковых слоях всегда имеется градиент концентрации примеси и движение в них носителей тока является комбинированным.

1.1.5 Диоды в ППИМС

В качестве диодов в полупроводниковых интегральных ИМС может быть использован любой из p-n переходов транзисторной структуры. Наиболее предпочтительным является вариант использования эмиттерного перехода при замкнутом коллекторном переходе (рис. 3). Эта структура обладает наименьшим временем выключения (10 нc), малой паразитной емкостью, и, следовательно, обеспечивает наибольшее быстродействие, пробивное напряжение составляет 7−8 В. При использовании в качестве диода коллекторного перехода эмиттерная область не формируется, что позволяет уменьшить площадь, занимаемую диодом (Uпр=30−50 В).

Рис. 3. Электрическая схема и структура диода.

Для каждого диода, формируемого на основе перехода коллектор-база, должна быть предусмотрена отдельная изолированная область, в противном случае может произойти смыкание областей объёмного заряда соседних диодов, так как их расширение в высокоомную коллекторную область является значительным. Если диоды формируются на основе перехода эмиттер-база, то их можно размешать внутри одной изолированной области, поскольку расширение областей объёмного заряда p-n переходов, формируемых в этом случае в достаточно низкоомных материалах невелико.

1.2 КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ РЕЗИСТОРОВ ППИС

1.2.1 Характеристики диффузионных резисторов

Пассивные элементы ППИС (резисторы) изготавливаются в том же едином технологическом цикле, что и активные элементы. Все расчеты диффузионных резисторов основаны на размерах областей активных элементов.

Распределение примесей в объеме резистора вглубь кристалла соответствует распределению примесей в эмиттерной или в базовой области ППИС (рис. 4 и 5), так как диффузионные резисторы изготовляются одновременно с изготовлением ППИС. Поэтому диффузионные резисторы подразделяются на резисторы эмиттерного или базового типа.

Характеристики резисторов зависят от того, какой слой транзисторной структуры использован в качестве резистивного (табл. 3).

Таблица 3. Характеристики резисторов эмиттерного и базового типа.

Рис. 4. Типовое распределение примесей в структуре биполярных транзисторов ППИМС с диодной (р-п) изоляцией Рис. 5. Распределение примесей вглубь кристалла Размеры для диффузионных резисторов в плоскости кристалла определяются размерами диффузионного окна, которые могут быть линейного или зигзагообразного типа. Формы диффузионных резисторов приведены на рис. 6.

г) Рис. 6. Формы диффузионных резисторов.

На Рис. 6:

а) и б) линейные резисторы;

в) зигзагообразный;

г) низкоомный резистор.

Для снижения погрешности выполнения диффузионных резисторов необходимо учитывать влияние контактных о6ластей на сопротивление резисторов (рис. 7 и 8).

Рис. 7. Линии тока и эквипотенциальные поверхности в резистивном слое: а) при изгибе резистора под прямым углом; б) у металлического контакта.

Рис. 8. Формы контактных о6ластей и графики коэффициентов k.

1.2.2 Требования к размещению и ограничения

Геометрическая конфигурация резисторов может быть произвольной, однако во всех случаях отношение длины резистора к его ширине должно быть согласовано с удельным сопротивлением материала исходного диффузионного слоя. Также обязательно получение заданного номинала. Ширина резистора ограничивается разрешающей способностью фотолитографии.

Номиналы диффузионных резисторов ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС «чистые» резисторы с номиналом выше 50 кОм. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова.

Резисторы с отношением R_i / R_сл >10 рационально проектировать зигзагообразными. Форма этих резисторов (число линейных участков и изгибов) уточняется в процессе компоновки элементов в пределах кристалла ИМС.

Высокоомные резисторы рекомендуется выполнять в виде параллельных полосок с перемычками между ними. Номинал резистора в этом случае будет выдержан более точно, чем для резистора изогнутой формы.

При размещении элементов биполярной полупроводниковой ИМС на кристалле необходимо учитывать следующие требования и ограничения:

1. Каждый элемент ИМС должен размещаться в отдельной изолированной области; в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.

2. Каждая изолированная область должна занимать наименьшую площадь.

3. Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены в одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу схемы.

4. Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.

Обычно все диффузионные резисторы данного типа (эмиттерного или базового) объединяются в одну изолирующую область. Для резисторов эмиттерного типа общая изолирующая р-область подключается к самому отрицательному потенциалу в схеме, для резисторов базового типа изолирующая n-область — к самому положительному потенциалу в cxeмe, т. е. к источнику смещения перехода коллектор-база.

Любой диффузионный резистор может пересекаться проводящей дорожкой, т.к. проведение металлизируемого проводника по слою оксида кремния, покрывающему резистор, не оказывает существенного вредного влияния. Резисторы, у которых необходимо точно выдерживать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться в непосредственной близости друг от друга. Если ИМС содержит резисторы с большой рассеиваемой мощностью, то их следует располагать в периферийных областях кристалла.

В общем случае электрическая модель диффузионного резистора нелинейная и имеет распределенный характер. Ее цепочное приближение (для базового резистора) дано на рис. 9 а.

Рис. 9. Электрическая модель диффузионного резистора.

Используя приближение к линейной цепи и к цепи с сосредоточенными параметрами (рис. 9 б, в), а также учитывая, что по переменному сигналу один из выводов резистора, как правило, заземлен, окончательно получаем простейшую модель резистора, изображенную на рис. 9 г.

Величина паразитной емкости резистора (C_R) определяется по формуле

где S_R — площадь резистора, находящегося в контакте с обедненным слоем, W_об(l/2) — ширина обедненного слоя на уровне половины длины резистора, определяемая с учетом разности потенциалов между серединным участком резистора и общей изолирующей областью.

Величина граничной частоты использования резистора с учетом паразитной емкости определяется по формуле:

Таким образом, диодному виду изоляции присущи определенные ограничения. Ток утечки обедненного слоя ограничивает максимально реализуемое сопротивление резистора. Емкостной эффект обедненного слоя ограничивает максимальную частоту использования данного резистора.

2. Разработка пакета учебно-прикладных программ

2.1 Структура пакета

Пакет учебно-прикладных программ заключает в себе 2 лабораторные работы для изучения дисциплины «Проектирование интегральных микросхем»:

1. «Изучение конструкции ППИС на биполярных транзисторах»

2. «Расчет параметров диффузионных резисторов»

Данные лабораторные работы являются показательным примером ППИМС на биполярных транзисторах с обратно смещенным p-n переходом. Они позволяют изучить технологию производства ППИМС, их проектирование, дают представление о проектировании всего кристалла микросхемы. Студенты могут на такой основе научиться разрабатывать топологию ППИМС (размещать компоненты микросхемы и контактные площадки, изучить правила нанесения проводников), научиться разрабатывать конфигурацию и выполнять расчет параметров элементов ППИМС.

Реализованный в лабораторных работах подход к выполнению графического материала позволяет рассмотреть топологию ИМС в таком виде, в каком она требуется в курсовом проектировании по этой дисциплине, что дает возможность учащимся заранее иметь представление о том, что им предстоит и лучше понимать значение проводимых ими действий.

При разработке лабораторных работ был использован XHTML (англ. Extensible Hypertext Markup Language — расширяемый язык разметки гипертекста, то есть «текста, ветвящегося или выполняющего действия по запросу», представляемого набором текстов, содержащих узлы перехода между ними, которые позволяют избирать читаемые сведения или последовательность чтения). Это стандартный язык разметки документов в сети Internet, большинство современных веб-страниц, являющихся информационным ресурсом, создаются при помощи этого языка. Язык разметки (текста) в компьютерной терминологии — это набор символов или последовательностей, вставляемых в текст для передачи информации о его выводе или строении. Принадлежит классу компьютерных языков. Текстовый документ, написанный с использованием языка разметки, содержит не только сам текст (как последовательность слов и знаков препинания), но и дополнительную информацию о различных его участках — например, указание на заголовки, выделения, списки и т. д.

Также был задействован CSS (англ. Cascading Style Sheets — каскадные таблицы стилей) — формальный язык описания внешнего вида документа, написанного с использованием языка разметки. Он используется как средство описания, оформления внешнего вида веб-страниц, написанных с помощью языков разметки HTML и XHTML.

Программный код на примере файла Index. html: