Разработка интегральной микросхемы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Теоретическая часть

Основные понятия и определения

Полупроводниковая интегральная микросхема - интегральная микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме или на поверхности полупроводникового материала.

Интегральная микросхема - микросхема, ряд элементов которой нераздельно выполнен и электрически соединен между собой таким образом, что с точки зрения технических требований, испытаний, торговли и эксплуатации устройство рассматривается как целое.

Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводникового материала, используемая для изготовления полупроводниковых ИМС. Полупроводниковые пластины получают из полупроводниковых слитков, механически разделяя их после калибровки на полупроводниковые шайбы, с последующим шлифованием, полированием и утонением (при необходимости). На технологический процесс, как правило, поступают тонкие полупроводниковые пластины, полностью подготовленные для технологического использования.

Полупроводниковый кристалл - часть полупроводниковой пластины, полученной методом скрайбирования (механического разделения на кристаллы) или лазерной резки. Полупроводниковый кристалл, как правило, совпадает с геометрическими размерами микросхемы без учета ее выводов и корпуса.

Плотность упаковки интегральной микросхемы - отношение суммы элементов интегральной микросхемы и элементов, содержащихся в составе компонентов, к объему интегральной микросхемы, без учета объема выводов. Плотность упаковки определяют по формуле: KV= N/V, гдеN-количество элементов в микросхеме, V - объем интегральной микросхемы, KV-плотность упаковки.

Степень интеграции интегральной микросхемы - показатель степени сложности интегральной микросхемы, характеризуемый числом содержащейся в ней элементов и (или) компонентов. Степень интеграции интегральной микросхемы определяют по формуле: K=lgN, где K-коэффициент, определяющий степень интеграции, значение которого округляют до ближайшего меньшего целого числа, N-число элементов интегральной микросхемы, в том числе содержащихся в составе компонентов, входящих в интегральную микросхему[1].

Монокристалл -- отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от направления (анизотропия). Электрические, магнитные, оптические, акустические, механические и другие свойства монокристалла связаны между собой и обусловлены кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим спектром электронов.

В микроэлектронике используют монокристаллы кремния (чаще всего), германия, рубина, граната, фосфида и арсенида галлия, ниобата лития и др.

Для получения n-проводимости кремния в качестве легирующих примесей используют элементы-доноры электронов: фосфор, сурьму, мышьяк, висмут, литий. Для полученияp-проводимости в качестве легирующих примесей используют элементы-акцепторы электронов: бор, алюминий, индий, галлий, цинк.

Требования, предъявляемые к подложкам

1. Плоскостность. Свойство подложки, означающее наличие идеальной плоскости на ее лицевой стороне (на которую осаждают пленку), она должна быть строго параллельна тыльной поверхности.

2. Отсутствие пор, трещин, впадин, углублений в подложке. Это требование является необходимым для исключения разрывов в нанесенной пленке.

3. Высокое удельное электрическое сопротивление для целого ряда подложек. Необходимо для электрической изоляции пленки и контактов к ней от корпуса измерительного устройства, а также для изготовления пленочных устройств на подложке, например, пленочных конденсаторов.

4. Высокое значение диэлектрической постоянной. Необходимо для предотвращения пробоя пленки на корпус при подаче высокого напряжения, для уменьшения электрических потерь при подаче ВЧ и СВЧ сигнала. Это также одно из условий работы пленочного конденсатора.

5. Стойкость к воздействию химических реагентов.

6. Гидрофобность.

7.Высокие значения температур рекристаллизации и плавления.

8. Оптимальная теплопроводность необходима во многих случаях для отвода тепла от пленочных изделий во избежание их перегрева.

9. Стойкость к термоударам и термическим напряжениям. Означает способность подложек без напряжений выдерживать высокие температурные градиенты.

10. Стойкость к механическим воздействиям необходима для сохранения целостности подложки при изгибе, кручении, изломе и т.д.

12. Стойкость к истиранию и царапанию необходима для технической обработки подложки и царапанью.

13. Оптическая гладкость подложки необходима для приготовления сверхрешеток и гетероструктур.

14. Низкая стоимость и доступность необходимы для серийного производства большого количества образцов [2].

2. Конструкции и топологии резисторов ИС

Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с базовой или эмиттерной областью транзистора. Структура таких транзисторов показана на рис. 1. Сопротивление тела диффузионного резистора (ДР) представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и характером распределения примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением сS. При создании микросхем параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характеристик n-p-n транзисторов, поэтому параметры ДР улучшаются не за счет варьирования технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров тела резистора. Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров кристалла (1 - 5 мм), ширина ограниченна минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5 - 3 мкм). Типичные значения сопротивленияДР, которые можно получить при данной величине сS, лежат в диапазоне 0,25 сS<R< 104 сS.

Рис. 1. Структура диффузионных резисторов на основе базовой (а) и эмиттерной (б) областей, сформированных попланарно-эпитаксиальной технологии

Пинч-резисторы формируются на основе донной слаболегированной области базового слоя с большим сопротивлением и имеют меньшую площадь сечения, чем диффузионные резисторы (рис. 2). Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200 - 300 кОм при простейшей полосковой конфигурации. У пинч-резистора n+- и p-слои закорочены металлизацией и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение пинч-резистора [3].

Рис. 2. Конструкция пинч-резистора

3. Конструкции и топология конденсаторов ИС

МДП-конденсатор представлен на рис. 3. Нижней обкладкой служит эмиттерный n+-слой, верхней - пленка Al. Диэлектриком служат тонкие слои SiO2 или Si3N4, последний предпочтителен в связи с большей C0 (е нитрида выше, чем окисла кремния), но SiO2 более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05 - 0,12 мкм. Недостатком МДП-конденсаторов в составе биполярных микросхем является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика (и дополнительной операции фотолитографии).

Рис. 3. Конструкция интегрального МДП-конденсатора: 1 - верхняя обкладка; 2 - алюминиевый вывод от нижней обкладки; 3 - подложка p-типа; 4 - коллекторная n-область; 5 - n+-слой (нижняя обкладка конденсатора); 6 - тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 7 - толстый окисел

Диффузионный конденсатор (ДК). В таком конденсаторе роль диэлектрика выполняет обедненный слой обратносмещенного p-n перехода, роль обкладок - легированные полупроводниковые области. Для формирования ДК чаще используют коллекторный переход (рис. 4). К недостаткам ДК можно отнести необходимость обеспечения их строго определенной полярности, так как условием нормальной работы ДК является обратное смещение p-n перехода [3].

Рис. 4. Конструкция интегрального диффузионного конденсатора: 1 - алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2 - алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора; 3 - контакт к подложке; 4 - подложка p-типа; 5 - коллекторная n-область (нижняя обкладка конденсатора); 6 - базовая p-область (верхняя обкладка конденсатора); 7 - пленка окисла кремния

4. Конструкции и топологии интегральных диодов

Диоды в микросхемах предназначены либо для того, чтобы выводить транзисторы из насыщения (фиксация транзисторов), либо для выполнения логических функций. Для формирования интегральных диодов чаще всего используют два перехода база - эмиттер и база - коллектор (рис. 5). Эти варианты различаются по электрическим параметрам. У диодов, в которых используется коллекторный переход больше пробивные напряжения. Обратные токи меньше у тех вариантов, в которых используется только эмиттерный переход, имеющий наименьшую площадь. Паразитная емкость на подложку C0 (считается, что подложка заземлена) минимальна у варианта Б-Э [4].

Рис. 5. Конструкции интегральных диодов: а - на основе перехода база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера, б - на основе перехода база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора

5. Конструкции биполярных транзисторов

Обычный n+-p-n транзистор. На рис. 6 показан транзистор структуры n+-p-n со скрытым подколлекторным n+-слоем. Вывод коллектора интегрального транзистора расположен на поверхности прибора, что ведет к увеличению сопротивления тела коллектора и ухудшает характеристики транзистора как в усилительном (частотную), так и в переключающем (уменьшает эффективность переключателя в режиме насыщения) режимах. Увеличение степени легирования всего объема коллекторной области и уменьшение ее удельного сопротивления снижает пробивное напряжение перехода коллектор - база и увеличивает емкость этого перехода, т. е. тоже ухудшает 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, не снижая величины пробивного напряжения перехода коллектор - база. Конструктивно этот слой располагается непосредственно под всей базовой областью и простирается вплоть до дальней от базы стороны коллекторного контакта. Толщина этого слоя составляет 1,5 - 2 мкм. Рабочая зона транзистора начинается непосредственно под эмиттерной зоной. Для обеспечения необходимого коллекторного тока при минимальном последовательном падении напряжения коллекторный контакт располагают как можно ближе к эмиттерному. Минимальные значения горизонтальных размеров транзистора определяются двумя основными технологическимифакторами: минимально достижимыми при фотолитографии размерами окон в окисле и зазоров между окнами и глубиной боковой диффузии примеси под окисел. Поэтому при проектировании транзистора надо учесть, что расстояние между базовой областью и коллекторным контактом должно быть значительно больше суммы размеров боковой диффузии p-базы и n+-области под коллекторным контактом. Назначение этой n+-области состоит в обеспечение надежного формирования невыпрямляющего алюминиевого контакта к слаболегированной n-области коллектора, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии с пределом растворимости около 1018 см-3. Уровень же легирования эпитаксиального слоя n-типа, составляющего тело коллектора, равен 1015 - 1016 см-3. Расстояние между изолирующей областью p-типа и элементами транзистора определяются также эффектом боковой диффузии. Они должны быть равны примерно толщине эпитаксиального слоя, которая составляет примерно 2 - 3,5 мкм.

Рис. 6. Структура интегрального планарно-эпитаксиального транзистора n+-p-n-типа: 1 - алюминиевый вывод от подложки; 2 - алюминиевый вывод от коллекторной области; 3 - алюминиевый вывод от эмиттерной области; 4 - алюминиевый вывод от базовой области

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ).Структура МЭТ изображена на рис. 7. При их конструировании учитывают следующие обстоятельства. Для подавления работы паразитных горизонтальных n+-p-n+ - транзисторов расстояние между краями соседних эмиттеров должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Если структура легирована золотом, диффузионная длина не превышает 2 - 3 мкм и достаточно указанное расстояние сделать равным 10 - 15 мкм. Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры при инверсном включении МЭТ искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы, удаляя базовый контакт от активной области транзистора, чтобы сопротивление перешейка, соединяющего базовый контакт с базовой областью, было равным 200 - 300 Ом.

Рис. 7. Конструкция многоэмиттерного транзистора

P-n-p транзисторы для аналоговых ИС.В настоящее время наиболее часто используют горизонтальные интегральные p-n-p-транзисторы (рис. 8). Их изготавливают одновременно с n+-p-n-транзисторами по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторный слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таком p-n-p-транзисторе протекает в горизонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмиттера в базу дырки диффундируют к коллекторной области. Перенос наиболее эффективен в приповерхностной области, так как здесь расстояние между коллектором и эмиттером минимальное и наиболее высокая концентрация примеси в p-слоях. Ширина базы составляет 3 - 4 мкм, так как мешает боковая диффузия под маску. Для уменьшения действия паразитных p-n-p-транзисторов (p-эмиттер, n-эпитаксиальный слой, p-подложка) стремятся уменьшить площадь донной части эмиттера (его делают возможно более узким), используют скрытый n+-слой вдоль границы эпитаксиального слоя и подложки. Основные недостатки горизонтального p-n-p-транзистора - сравнительно большая ширина базы и однородность распределения примесей в ней (этот транзистор является бездрейфовым). Эти недостатки можно устранить использованием дрейфовой структуры, в которой два электрода в противоположных концах базы создают в базовом слое электрическое поле, уменьшающее время переноса инжектированных дырок и создающее в эмиттере смещение, снижающее инжекцию из его донной части [3].

Рис. 8. Конструкция горизонтальногоp-n-p-транзистора

6. Конструкции МДП-транзисторов

МДП-транзистор с индуцированным каналом. Вариант конструкции активного транзистора с прямоугольным каналом и со средним значением крутизны стоко-затворной характеристики представлен на рис. 9. Под алюминиевым затвором находится тонкий слой термически выращенного окисла кремния (0,05 - 0,10 мкм). За пределами области канала толщина окисла составляет 1 мкм. Этот сравнительно толстый слой окисла выполняет функции защитного диэлектрика, позволяет существенно снизить значения паразитных емкостей сигнальных шин и повысить пороговое напряжение паразитных МДП-транзисторов в местах прохождения алюминиевых проводников над диффузионными шинами питания. Освоение производства p-канальных МДП-транзисторов с индуцированным каналом и алюминиевым затвором позволило получить следующие параметры МДП-структур: минимальная длина канала 10 - 12 мкм (по затвору 20 мкм), глубина залегания p-n-переходов 2,5 мкм, боковая диффузия под окисел 2 мкм, толщина подзатворного диэлектрика 0,12 - 0,15 мкм, напряжение питания 12 В, пороговое напряжение (-4±0,5) В, удельное поверхностное сопротивление диффузионных областей истока и стока и диффузионных шин 50 - 100 Ом/?, пробивное напряжениеp-n-переходов областей истока и стока свыше 30 В, пороговое напряжение паразитных транзисторов свыше 40 В, подвижность дырок в канале около 200 см2/(В•с), плотность поверхностных состояний 1011 - 1012 см-2. На таких структурах были созданы одни из первых логических интегральных МДП-микросхем с минимальным временем задержки на вентиль 80 - 100 нс и основным показателем качества микросхем - произведением мощности на задержку 60 - 80 пДж. Хорошо отработанная технология производства и меньшая стоимость способствуют тому, что микросхемы на p-МДП-транзисторах выпускают до сих пор, несмотря на худшие характеристики [4].

Рис. 9. Конструкция МДП-транзистора с индуцированным каналом

Комплементарные транзисторы с охранными кольцами. Главное преимущество - минимальное энергопотребление, благодаря чему вначале основной областью применения КМДП-микросхем было создание интегральных устройств с батарейным питанием. КМДП-схемы также обладают повышенной помехоустойчивостью, что обуславливает возможность работы при предельных температурах и в широком диапазоне температур. Еще одно преимущество КМДП-микросхем - широкий диапазон напряжений питания. Их способность работать при напряжениях питания от 3 до 15 В означает принципиально более высокую независимость от флуктуаций напряжения источника питания, шумов, колебания температуры. Высокая помехоустойчивость КМДП объясняется тем, что ее передаточная характеристика имеет очень крутой перепад.

К недостаткам КМДП относится сравнительно низкое быстродействие, обусловленное малой скоростью переключения p-МДП-транзисторов из-за низкой подвижности дырок. Для повышения быстродействия ширину p-каналов необходимо увеличить в 1,5 - 2 раза по сравнению с шириной n-каналов, если длина каналов обоих типов выполнена минимальной. Другой недостаток - большая площадь кристалла, занимаемая КМДП-элементом. В тех случаях, когда можно обойтись невысоким быстродействием, ширину p-каналов лучше выбрать такой же, как у n-каналов, чтобы не увеличивать без необходимости и без того большую площадь КМДП-ячейки. Формирование охранных колец для группы транзисторов одного типа проводимости и новые схемотехнические решения, позволившие уменьшить соотношение числа p- и n-канальных транзисторов позволили приступить к разработке и массовому производству КМДП БИС различного назначения [3].

Рис. 10. Конструкция КМДП-транзисторов: 1 - алюминий; 2 - охранное кольцоp-канального транзистора; 3 - охранное кольцо n-канального транзистора; 4 - p-карман n-канального транзистора

7. Конструкция вспомогательных элементов

интегральный полупроводниковый микросхема резистор

Контактные площадки. Контактная площадка интегральной полупроводниковой микросхемы - это металлизированный участок на кристалле, служащий для присоединения внешних выводов, а также для контроля ее электрических параметров. Контактные площадки располагают, как правило, по периферии полупроводникового кристалла. Они представляют собой расширенные области коммутационных пленочных проводников и формируются одновременно с разводкой. С целью предотвращения замыканий контактных площадок на подложку в случае нарушения целостности окисла в процессе присоединения внешних выводов под каждой контактной площадкой формируется изолированная область (за исключением площадок, имеющих контакт с подложкой).

Рис. 11. Конструкция контактных площадок в микросхеме с изоляцией элементов p-nпереходами: 1 - контактная площадка; 2 - термический окисел; 3 - изолированная область под контактной площадкой

Фигуры совмещения необходимы для точного выполнения операции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев. Их число на единицу меньше количества операций фотолитографии, использованных при изготовлении микросхемы. Фигуры совмещения могут иметь форму треугольника, квадрата, креста и т. д [5].

8. Экспериментальная часть

1. В ходе работы была изучена полупроводниковая ИМС, микрофотография которой представлена на рис. 12. В табл. 1 представлены сводные данные по элементам ИМС.

Рис. 12. Микрофотография изученной ИМС

Таблица 1. Сводная таблица по изученной микросхеме

2. С использованием справочной литературы привела фрагмент электрической схемы ИМС 134ТМ2 (рис. 13).

Рис. 13. Фрагмент электрической схемы ИМС 134ТМ2 [6]

3. С использованием справочной литературы привела функциональную схему ИМС 134ТМ2 (рис. 14). ИМС 134ТМ2 выполняет функцию Д-тригера.

Рис. 14. Функциональная схема ИМС 134ТМ2 [6]

4. Размеры корпуса микросхемы, используемые для расчета ее степени интеграции и плотности упаковки, взяла из справочной табл. 2 [2].

Таблица 2. Характеристики и параметры изучаемой ИМС

5. Экспериментально определила количество элементов: N = 28.

Рассчитала степень интеграции К по формуле:

Рассчитала плотность упаковки КV по формуле:

Характеристики и параметры ИМС приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики и параметры ИМС

6. Привела конструкции и топологии элементов микросхемы (рис. 15 - 19)

7.

Рис. 15. Эскиз многоэмиттерного транзистора

Рис. 16. Эскиз интегрального планарно-эпитаксиального транзистора n+-p-n-типа: 1 - вывод от подложки; 2 - вывод от коллекторной области; 3 - вывод от эмиттерной области; 4 - вывод от базовой области

Рис. 17. Эскизы интегральных диодов: а - на основе перехода база - коллектор с разомкнутой цепью эмиттера, б - на основе перехода база - эмиттер с разомкнутой цепью коллектора

Рис. 18. Эскизы диффузионных резисторов на основе базовой (а) и эмиттерной (б) областей, сформированных по планарно-эпитаксиальной технологии

Рис. 19. Эскиз пинч-резистора

8. Выполнила эскиз микросхемы без слоя металлизации (рис. 20).

Рис. 20. Эскиз микросхемы без слоя металлизации

Заключение

1. Ознакомилась с литературой по теме курсового проекта.

2. Изучила конструкции и топологии элементов ИМС: резисторов ИС, конденсаторов ИС, интегральных диодов, биполярных транзисторов и МДП-транзисторов.

3. Изучила конструкцию и топологию полупроводниковой микросхемы 134ТМ2 (2 вариант).

4. Научилась вычислять показатели степени сложности микросхем: степень интеграции и плотность упаковки.

Литература

1. ГОСТ 17021-88. Микросхемы интегральные. Термины и определения. - Введ. 1990-01-01. - М.: Госкомитет СССР по стандартам: Изд-во стандартов, 1988. - 12 с.

2. Ситанов Д. В. Процессы микро- и нанотехнологий: Лабораторный практикум. Часть 1 / Д. В. Ситанов, Д. А. Шутов - Иваново.: Иван.гос. хим. - технол. ун-т, 2006. - 141 с.

3. КоледовЛ. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок/ Л. А. Коледов - СПб.: Лань, 2007. - 400 с.

4. Крекрафт Д. Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигнала / Д. Крекрафт, С. Джерджли - М.:Техносфера, 2005. - 360 с.

5. Алексеенко А. Г. Микросхемотехника: Учеб.пособие для вузов / А. Г. Алексеенко, И. И. Шагурин - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.

6. Бойт К. Цифровая электроника / К. Бойт - М.:Техносфера, 2007. - 472 с.

Размещено на Allbest.ru