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.