Расчет параметров транзисторов в зависимости от режимов эксплуатации и их температурная зависимость

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сравнительный анализ параметров транзистора в зависимости от параметров коллектора: удельного сопротивления слоя, толщины эпитаксии. Влияние технологических операций на параметры транзисторов. Температурные зависимости

Важнейшими параметрами эпитаксиальных слоев являются их толщина и удельное сопротивление, однородность толщины и удельного сопротивления по пластине, воспроизводимость этих параметров от пластины к пластине, и от процесса к процессу. При переходе к субмикронным размеров элементов ИС, уменьшении толщины эпитаксиальных слоев ужесточаются требования к характеру распределения легирующих примесей по глубине эпитаксиального слоя, что также требует его контроля. Указанные параметры эпитаксиального слоя влияют непосредственно на характеристики приборов - на емкость перехода "эмиттер-коллектор" биполярных транзисторов, на толщину базы и коллектора, на величину сопротивления коллектора, на время жизни неосновных носителей заряда, и, следовательно, на быстродействие приборов.

При изготовлении транзисторов осуществляется ряд технологических операций, связанных с получением заготовок монокристаллических полупроводниковых пластин, с удалением в процессе изготовления транзисторов различных участков полупроводниковых кристаллов, с созданием контактов, со сборкой и др.

Изменение характеристик транзисторов: с ростом температуры увеличивается тепловой потенциал

следовательно, возрастают токи эмиттера и коллектора.

Сопротивление базы определяется электропроводностью исходного материала:

где и - проводимость, обусловленная ионизацией атомов основного материала и примеси соответственно, зависимости от температур подвижности и концентраций носителей приводят к тому, что в диапазоне от -60 до + 60 оС сопротивление базы транзисторов сначала возрастает, а затем падает.

Дифференциальное сопротивление эмиттера p-n-p-транзистора определяется соотношением:

То есть линейно растет с увеличением температуры. При величинах тока эмиттера, сравнимых с величиной

(обратным током эмиттерного перехода при коротком замыкании цепи база-коллектор) зависимость от температуры падает, поскольку ток с ростом температуры увеличивается, что определяется увеличением концентрации неосновных носителей.

Сопротивление коллектора в диапазоне от -50 до + 50°С растет, так как для этого диапазона характерно увеличение подвижности носителей (по механизму рассеяния на ионах примеси).

Коэффициент передачи б с ростом температуры увеличивается, что в первую очередь связано с увеличением диффузионной длины дырок.

Температурная зависимость коэффициента передачи в связана в первую очередь с возрастанием времени жизни неосновных носителей заряда в базе транзистора с ростом температуры. Для большинства биполярных транзисторов коэффициент в увеличивается по степенному закону .

2. Расчет динамических параметров КМОП-вентилей в зависимости от режимов эксплуатации

Переходные процессы в КМОП-вентилях обусловлены в основном перезарядом емкостей, входящих в состав нагрузки. Типичные значения суммарной емкости у вентилей, использующих транзисторы с длиной канала менее 1 мкм, не превышают 1 пФ.

Время переключения схемы из состояния логической единицы в состояние логического нуля определяют с помощью приближенного равенства

Полученное выражение является приближенным. Его значение состоит в первую очередь в том, что оно позволяет оценивать влияние параметров цепи на время переключения. Если транзисторы в схеме вентиля согласованы, то время переключения из состояния логического нуля в состояние логической единицы также определяется данной формулой.

Из данной формулы следует, что для уменьшения времени переключения необходимо уменьшить суммарную емкость и увеличить напряжение питания . Однако при увеличении растет и мощность, потребляемая вентилем. Поэтому главный путь увеличения быстродействия - уменьшение емкости .

Другое важное свойство комплементарного вентиля заключается в очень малом потреблении энергии от источника питания в статическом режиме. Динамические потери, то есть мощность, рассеиваемая КМОП-инвертором при тактовой частоте f, определяются формулой

Из последнего равенства следует, что для уменьшения динамических потерь необходимо уменьшать емкость нагрузки и напряжение питания схемы. Однако уменьшение напряжения приводит к снижению быстродействия. Поэтому главным путем повышения быстродействия и снижения потерь является уменьшение емкостей транзисторов и нагрузки.

3. Процент выхода годных кристаллов

Процент выхода годных кристаллов отличен от 100% даже в тех случаях, когда отклонения всех технологических параметров находятся в допустимых пределах. Причиной снижения процента выхода годных кристаллов обычно является наличие на пластине точечных дефектов. К точечным дефектам относят многие виды случайных дефектов.

Одной из распространенных причин возникновения точечных дефектов являются пыль и частицы, поступающие из окружающей среды. Они могут попадать на поверхность пластин при их перемещении по технологической зоне или внедряться в пленку при ее осаждении. Твердые частицы также могут присутствовать в растворах резистов (светочувствительных материалов) и осаждаться на пластине при проведении операций литографии. Кроме того, возможно прилипание к поверхности пластин кремниевых частиц, отколовшихся от пластин при манипулировании ими во время технологических операций.

Потери годных кристаллов при обработке пластин обусловлены тремя основными причинами:

- "черный" брак - это разбитые пластины, аварийные ситуации с оборудованием, ошибки персонала и т.д.;

- параметрический брак - годные кристаллы есть не на всей площади пластины;

- брак от дефектов - часть кристаллов поражена локальными дефектами.

Соответственно, коэффициент выхода годных представляется в виде произведения частных коэффициентов по видам брака.

y = y0 Ч y1 Ч y2,

где y0 - коэффициент выхода годных для "черного" брака обычно достаточно высок (98 - 99%) и определяется уровнем организации производства. "Черный" брак не влияет на надежность изделий и обычно в окончательный статистике не учитывается; y1 - коэффициент выхода годных для параметрического брака определяется однородностью параметров структуры, т.е. однородностью технологических процессов.

Большинство технологических процессов проводится на оборудовании с центральной симметрией процесса. Это диффузионные трубы, центрифуги, круглые объективы оптических установок и др. Кристаллы для изготовления полупроводниковых пластин также выращиваются на оборудовании с центральной симметрией. Все технологические процессы настраиваются и контролируются в области на половине радиуса пластины. Поэтому, требуемые параметры структуры лучше всего получаются на середине радиуса пластины. Годные кристаллы концентрируются в области кольца на середине радиуса. В центре пластины и на ее краях плотность годных кристаллов уменьшается. Если используются пластины с эпитаксиальным слоем, то кольцо годных кристаллов деформируется или превращается в полумесяц. Обычно, эпитаксиальные слои имеют линейный градиент параметров. Линейный градиент определяется направлением потока газа в эпитаксиальном реакторе.

Коэффициент y1 определяет усредненную долю в площади пластины, на которой параметры структуры обеспечивают выход годных изделий в соответствии с требованиями технических условий. При расчете этой доли не учитывается краевая зона пластины, в которой нет целых кристаллов. Очевидно, что кристалл, рассеченный краем пластины, не может быть годным. Поэтому, эффективная рабочая площадь платины зависит от размера кристаллов микросхем.

Технологический разброс параметров физической структуры задается и контролируется на всей рабочей площади пластины. Значения параметров задаются величинами математического ожидания и среднеквадратичного отклонения. Распределение значений параметров обычно гауссовское. Конкретные величины параметров разработчикам обычно известны. Правильный расчет схемы предполагает, что изделие будет сохранять работоспособность и параметры в пределах норм Технических условий при любом отклонении значений параметров структуры в пределах трех среднеквадратичных отклонений от математического ожидания. Для цифровых схем выполнить это условие не очень сложно.

На пластинах с цифровыми микросхемами кольцо годных кристаллов может не проявиться. В аналоговых и цифро-аналоговых микросхемах параметры структуры являются определяющими для параметров изделия. Сознательно или не сознательно разработчики часто проектируют схемы для условий уменьшенного разброса параметров с целью улучшения электрических характеристик изделий. В этом случае, при контроле микросхем на пластинах происходит отбор кристаллов в тех зонах пластины, в которых параметры структуры укладываются в искусственно заданные границы. Именно в этом случае проявляется кольцевая концентрация годных кристаллов, а выход годных уменьшается.

Коэффициент y2 зависит от плотности поражающих локальных дефектов. Локальные дефекты - это дислокации в подложке, поры в диэлектрике, пылинки в слое фоторезиста и др. Плотность дефектов зависит от качества материалов, оборудования и чистоты рабочих сред. Поражающие свойства дефектов определяются минимальными размерами элементов на кристалле. Очевидно, что при заданных проектных нормах выход годных уменьшается с увеличением размеров кристаллов. На рис.11.1 приведена типовая зависимость выхода годных кристаллов для участка обработки пластин. Зависимость не учитывает "черный" брак. Зависимость выхода годных от площади кристалла описывается распределением Пуассона

транзистор монокристаллический полупроводниковый эпитаксия

y2 = EXP (-D • Sкp),

где D - плотность поражающих дефектов; Sкр - площадь кристалла.

Распределение Пуассона справедливо для условия поражения кристалла одним дефектом, т.е. для выхода годных более 50%. Для практических случаев используется именно это распределение. В лабораторном производстве наблюдается выход годных значительно ниже 50%.

В этом случае проявляется группировка дефектов в кластеры. Выход годных кристаллов при условии группировки дефектов описывается отрицательным биномиальным распределением. Выход годных по этому распределению больше, чем по распределению Пуассона. В формуле этого распределения используются два технологических параметра: плотность дефектов и коэффициент их группировки.

Список литературы

1. Митрофан Горлов, Андрей Строганов, Алексей Арсеньтьев, Антон Емельянов, Владимир Плебанович. Отбраковочные испытания как средство повышения надежности партий ИС. Технологии в электронной промышленности №1'2006.

2. В.В. Ракитин Интегральные схемы на КМОП-транзисторах. Москва 2006

Размещено на Allbest.ru