Определение электрических параметров элементов схемы

2. Определение электрических параметров элементов схемы.

 

Значения токов и напряжений на элементах схемы определяется с помощью программы Electronics Workbench (версия 5.12, разработчик – Interactive Image Technologies LTD).

Для последующего расчета топологических параметров разрабатываемой интегральной схемы необходимо определить следующие параметры:

максимальный ток через резисторы I_R . Данный параметр необходим для расчета мощности, выделяющейся на резисторах, необходимой для последующих расчетов;

для транзисторов – максимальный ток на коллекторном переходе, максимальный ток эмиттера,максимальное напряжение на переходе коллектор-база U_КБ.

Электрические параметры конденсаторов, необходимые для расчета их топологических параметров, приведены в задании к данной работе и не подлежат определению.

Значения параметров, указанных выше, приведены в табл. 2.1.

Табл. 2.1. Электрические параметры элементов интегральной схемы.

Параметр	IR1-4, мА	IR5, мА	UКБ, В	IЭ, мА
Значение	0,26	4,94	1,5	4,5

Примечание. Данные значения токов и напряжений были измеряны при подаче на логические входы схемы минимально допустимого напряжения логической единицы (1,9 В), и/или максимально допустимого напряжения логического нуля (0,7 В).

3. Технологические этапы изготовления ИМС.

При производстве различных ИМС в текущий момент 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. Основными технологическими операциями при изготовлении ИМС являются: подготовка полупроводниковой подложки; окисление; фотолитография; диффузия; эпитаксия; ионное легирование, ме­таллизация

Элементы биполярных интегральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей полупроводниковой подложке. Каждый элемент схемы формируется в отдельной изолированной области, а соединения между элементами выполняются путем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция между элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными р - n переходами и диэлектриком Изоляция обратно смещенным 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 Si₃Н₄, ситалл, стекло, керамику, воздушный зазор.

3.1. Последовательность операций планарно - эпитаксиальной технологии производства ИМС.

1 - механическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины р -типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенного слоя. Под­ложки кремния шлифуют до заданной толщины, затем полируют (обычно до 14 класса точности) , подвер­гают травлению и промывают. Эпитаксиальные структуры не требуют до­полнительной механической обработки, а лишь подвергаются травлению и промывке перед процессами создания схем.

2 - окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n типа. 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 изолятор отдельных компонентов ИМС, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах.

Термическое окисление поверхностей кремния является наиболее тех­нологичным методом получения пленок SiO₂. В этом случае качестве окис­ляющей среды используются сухой или увлажненный кислород либо пары воды. При окислении температура рабочей зоны поддерживается на уровне 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 окис­ление проводят 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 и др.

3 - фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев. Создание на поверхности подложки защитной маски малых размеров, используемой в дальнейшем для проведения локальных процессов травления, диффузии, эпитаксии и др. Образуется с помощью фоточувствительного слоя (фоторезиста), который под действием света изменяет свою структуру По способности изменять свойства при облучении фоторезисты делятся на 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 фотошаблона, 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 пластину из оптического стекла, на поверхности которой содержится рисунок соот­ветствующий по размерам будущей микросхеме. Фотошаблон может содержать до 2000 изображений одной микросхемы.

Последовательность фотолитографического процесса состоит в следующем .

На окисленную поверхность кремния с толщиной окисла 3000 - 6000 А наносят слой фоторезиста с помощью центрифуги. Фоторезист сушат сначала при комнатной температуре, затем при температуре 100 -150 ⁰С.

Подложку совмещают с фотошаблоном и облучают ультрафиолетовым излучением. Засвеченный фоторезист проявляют, а затем промывают в деио­низированной 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 НF 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

4 - диффузия для создания скрытого n-слоя.

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

Диффузия в полупроводниковых кристаллах представляет собой на­правленное перемещение примесных атомов в сторону убывания их концен­трации. 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. Различают два режима диффузии: диффузия из неограниченного источника и диффузия из ограниченного источника. 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.

Для создания заданного распределения примесей в глубине и на поверхности полупроводника проводится второй этап диффузии из ограниченного источника. Этот процесс называется разгонкой 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 РОСlз и ВВrз. После установления темпера­турного режима в рабочую зону печи поступает кислород, что способствует образованию на поверхности кремния фосфоро - 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.

После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной примеси с малым коэффициентом диффузии (Аs, 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.

5 - снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитакси-ального наращивания;

6 - формирование эпитаксиальной структуры;

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 авто-эпитаксии 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, SiВг₄.

В реакционной камере на поверхности подложки в температурном диапазоне 1150 - 1270 °С протекает реакция

SiCl4+ 2Н2 <=> Si + 4 HС1,

(3.1)

в результате которой чистый кремний в виде твердого осадка достраивает решетку подложки, а летучее соединение удаляется из камеры.

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.

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;

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 разделенные р-n переходами. В каждой изолированной области в результате по­следующих технологических операций формируется интегральный элемент.

10 -окисление;

11 - фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

12 - формирование базового слоя диффузией примеси р-типа.

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.

13 -окисление;

14 - фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

15 - формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа;

Эмиттерные области формируются после четвертой фотолитографии Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 °С. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов и нижние обкладки МДП-конденсаторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор.

16 – фотолитография для вскрытия окон для травления окисла под МДП-конденсаторы.

Данный этап необходим для создания тонкого окисла между верхней и нижней обкладками конденсатора. Он получается травлением пассивирующего слоя до нужной толщины.

17 – формирование тонкого окисла в местах создания МДП-конденсаторов.

18 - фотолитография для вскрытия контактных окон;

19 - напыление пленки алюминия.

Соединения элементов ИМС создаются металлизацией. На поверхность ИМС методом термического испарения в вакууме наносится слой алюминия толщиной около 1 мкм. После фотолитографии на поверхности ИМС остаются металлические соединения, соответствующие рисунку схемы. После фотолитографии металл обжигается в среде азота при температуре около 500°С.

20 - фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя за­щитного диэлектрика.

21 – фотолитография для вскрытия окон контактных площадок для последующего приваривания проводников.

4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора.

Исходные данные для расчета.

Максимальное напряжение на коллекторном переходе: U_кб = 1,5 В

Максимальный ток эмиттера: І_э = 4,5 мА

Граничная частота f_т = 500 МГц.

Дальнейший расчет проводится с помощью программы расчета параметров биполярных транзисторов, результаты расчета, представленные ниже, были получены с помощью данной программы.

Расчет выполняется в следующей последовательности.

1. По заданному максимально допустимому напряжению U_кб определяют пробивное напряжение U_кб0 , которое должно быть хотя бы на 20% больше U_кб и учитывает возможные колебания напряжения питания, т.е. U_кб0=1,2 U_кб, в нашем случае U_кб0=1,8 В. Пробивное напряжение U_пр коллекторного перехода выбираем с коэффициентом запаса 3, это учитывает возможность пробоя по поверхности и на закруглениях коллекторного перехода. В нашем случае U_пр = 5,4 В.

По графику зависимости U_пр (N_дк) [1] , где N_дк – концентрация доноров в коллекторе, находят N_дк . В программе расчета значение концентрации находится численными методами. В нашем случае N_дк = 5·10¹⁷ см^-3. Данное значение слишком велико, т.к при таком значении возможно появление паразитного n-канала, поэтому уменьшим его до 10¹⁶ см^-3.

По графику зависимости подвижности электронов от их концентрации [1] находят подвижность электронов. В нашем случае m_n = 1200 см²/(В·с).

2. Определяют характеристическую длину распределения акцепторов L_а и доноров L_д:

( 4.1)

где х_jк – глубина коллекторного перехода. В нашем случае L_a = 0,374 мкм; L_д = 0,0748 мкм.

3. Для расчета ширины ОПЗ (области пространственного заряда) на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

( 4.2 )

где f_т – тепловой потенциал, равный 0,0258 В при Т=300 К.; n_i – концентрация собственных носителей заряда в кремнии (n_i» 10¹⁰ см^-3). В нашем случае f_к = 0,6771 В.

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе f_э рассчитывается аналогично f_к. В нашем случае f_э = 0,1809 В.

4. Рассчитывают ширину ОПЗ, распространяющуюся в сторону базы (Dх_кб) и в сторону коллектора (Dх_кк) при максимальном смещении коллекторного перехода U_кб :

	( 4.3 )
	( 4.4 )

где , e₀, e_н – соответственно диэлектрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки.

В нашем случае Dх_кб = 0,387 мкм, Dх_кк = 0,6656 мкм.

5. Выбираем ширину технологической базы равной 1 мкм.

6. Определяем концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе:

Na(xjэ) = Nдкexp(Wб0/La)

( 4.5 )

В нашем случае N_a(x_jэ) = 1,338·10¹⁷ см^-3.

7. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближенно можно считать, что Dх_эб » Dх_э, где

( 4.6 )

В нашем случае Dх_э = 0,08858 мкм.

8. Расчитываем ширину активной базы:

Wба = Wб0 - Dхэ - Dхкб

( 4.7 )

В нашем случае W_ба = 0,4944 мкм.

Дальнейший расчет транзистора включает вычисление площади эмиттерного перехода,