ПИМС и МП. Лекции, задания / РукПрактЗанятий_з_м

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

Кафедра “Комплексной информационной безопасности электронно-вычислительных систем” (КИБЭВС).

Торгонский Л.А

Руководство

к практическим занятиям по дисциплине «Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров»

(заочное и вечернее отделение)

2012

2

1 Введение

Целью практических занятий является:

-	закрепление теоретических знаний изучаемой дисциплины;
-	приобретение практических навыков в решении задач проектирования

элементов интегральных микросхем и микропроцессоров.

На практические занятия вынесен перечень вопросов, ответ на которые может быть получен при условии предварительной самостоятельной теоретической подготовки и выполнения части расчётов за пределами практического занятия. Поэтому в руководстве к занятиям последовательно приведены перечень вопросов по темам занятий, краткий примерный перечень заданий и ссылки на методический материал учебных пособий по дисциплине. По темам 1,5, 9-11 практических занятий вопросы дополнительно вынесены в контрольные работы и предусматривается

самостоятельная	подготовка к ним. По темам				2-5	дополнительно к
практическим	занятиям	выполняется		расчётное		исследование
функциональных	зависимостей		размерных		цепей	от	значений

функциональных параметров элементов.

2 Практические занятия и их содержание

Материал к практическим занятиям размещён в разделах учебного пособия [3.1.2, 3.1.3, 3.2.1 ] по дисциплине.

Тема 1. Оценка параметров технологического слоя -2 ч.

Параметры технологических слоёв являются основой для проектирования элементов интегральных микросхем. Применительно к полупроводниковым микросхемам состав слоёв отличается разнообразием технологий формирования. Знание свойств функционального слоя структуры является необходимым в принятии решений по формам, размерам и электрическим параметрам радиоэлементов и их композиций в интегральных микросхемах.

Перечень вопросов занятия:

-идентифицировать структурную принадлежность заданного слоя в составе слоев варианта технологической структуры БПТ;

-выполнить графическое представление структуры, разметку заданных концентраций, пространственных размеров слоя;

-выбрать и согласовать применение расчётных соотношений и методик определения параметров слоя (электрической прочности изоляции слоя, удельной ёмкости изоляции слоя, поверхностного сопротивления слоя);

-выполнить расчёты и подготовить рекомендации к применению полученных параметров в проектировании конструкций радиоэлементов ИС.

3

Примерные варианты заданий по теме

Вариант 1. Оценка параметров эмиттерного слоя диффузионной структуры (по методу тройной диффузии). Толщина слоя — 2 мкм. Поверхностная концентрация примеси в слое (n-тип) 1020 см–3. Поверхностная концентрация в базовом слое — 1018 см–3. Глубинный переход эмиттер-база образован при концентрации доноров — 1017 см–3.

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

Вариант 2. Оценка параметров базового слоя диффузионной структуры (по методу тройной диффузии, эмиттерный слой отсутствует). Толщина слоя -3 мкм. Поверхностная концентрация примеси в слое (р-тип) 1018 см–3. Поверхностная концентрация в коллекторном слое - 1017 см–3.

Глубинный переход коллектор-база образован при концентрации доноров -

1016 см -3.

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

Вариант 3. Оценка параметров базового слоя под эмиттером диффузионной структуры (по методу тройной диффузии). Толщина ограниченного слоя базы — 1 мкм. Поверхностная концентрация примеси в эмиттерном слое (n-тип) — 1020 см–3.Поверхностная концентрация примеси базового слоя (р-тип) — 1018 см–3. Поверхностная концентрация примеси в коллекторном слое — 1017 см–3. Переход эмиттер-база образован на глубине 2 мкм при концентрации доноров — 1017 см–3. Переход коллектор-база на глубине 3 мкм образован при концентрации доноров — 1016 см–3

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

Вариант 4 Оценка параметров базового слоя структуры ЭПСК. Концентрация примеси на поверхности — 1018 см–3. Толщина слоя — 2 мкм.

Тип проводимости — дырочный. Концентрация примеси в коллекторном слое — 1017 см–3.

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

4

Вариант 5 Оценка параметров базового слоя под эмиттером структуры ЭПСК. Концентрация примеси на поверхности эмиттера — 1020 см–3. Концентрация примеси на поверхности базы — 1018 см–3. Толщина ограниченного базового слоя — 1 мкм. Толщина эмиттера — 1 мкм. Тип

проводимости базы — дырочный. Концентрация примеси в коллекторном слое — 1017 см–3.

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

Вариант 6 Оценка параметров коллекторного слоя структуры ЭПСК (со скрытым слоем в коллекторе). Максимальная концентрация примеси в слое (n- тип) — 1018 см–3. Толщины эпитаксиального (ЭПС) и скрытого слоёв — по 8 мкм. Глубина разделительной диффузии — 10 мкм. Концентрация примеси в ЭПС-слое — 1017 см–3. Концентрация на поверхности разделительной области – 1018 см–3. Глубинный переход коллектор-база на координате 3 мкм. Концентрация примеси в подложке — 1015 см–3.

Определить геометрию слоя изоляции. Определить критическую электрическую прочность изоляции? Определить удельную емкость изоляции? Определить поверхностное сопротивление слоя?

Расчётные соотношения к теме 1

Критическая напряжённость поля Екр, В/см:

–кремний — (2—5)∙105;

–SiO2 — (1—10) ∙ 106.

Напряжение лавинного пробоя Uпроб, В:

Uпроб = Екр∙d,

где d — ширина нагруженного промежутка для диэлектрической изоляции, см;

Uпроб = Екр ∙ dpn (Uпроб). Ширина p-n-перехода d pn, cм:

– плавный переход

dpn = [ 12 ∙ ε ∙ εo ∙ ﴾φk +U) / (a ∙ q)]1/ 3,

– резкий переход

dpn = [ 2 ∙ ε ∙ εo ∙ ﴾φk +U) / (Ncp ∙ q)]1/ 2, где εo = 8,86 ∙ 10 –14ф/см;

–ε =11,5 для кремния;

–ε = (3—4) для SiO2;

–φk = 0,7 В;

–U — приложенное обратное напряжение, В;

5

–а — градиент концентрации в плавном pn-переходе, см–4;

–q = 1,6 ∙ 10 –19 к.;

–1/Nср = (1/N1) + (1/N2), см3;

N1, N2 — концентрации доноров и акцепторов на границе резкого перехода.

Аппроксимация дополнительной функции ошибок при значениях аргумента 0 < Z = x / 2√D t < (2—3)

N(x) = Nпов ∙ erfc z ≈ Nпов∙exp (–1,08 ∙ z – 0,78 ∙ z2),

где Nпов — поверхностная концентрация примесей; х — текущее значение координаты, см;

D — коэффициент диффузии примеси, см2 /с; t — время диффузии, с.

Аналитическое представление применяется при выполнении расчётов по необходимости. Обычно соответствует одностадийной диффузии на этапе так называемой «загонки» примесей.

Распределение примесей по закону Гаусса c поверхностной концентрацией Nпов применяется для слоёв с многостадийной диффузионной обработкой без притока примесей, внедрённых ранее в слой. Такое распределение определяется как распределение при источнике атомов примеси ограниченной мощности. В проектировании ИМС применяется стационарный результат распределения в виде

N(x) = Nпов ∙ exp (–z2),

z = x / 2Dt (обозначения, аналогичные введенным ранее).

Условие образования p-n-перехода при неравномерном распределении донорных Nd (x) и акцепторных Na (x) примесей в слоях представляется равенством

Nd (x) = Na (x)

позволяет согласовать расположение металлургической границы перехода с параметрами распределения примесей.

Градиент концентрации а на металлургической границе перехода Xpn, образованного постоянной исходной концентрацией Nисх и компенсирующей примесью распределённой по закону Гаусса c поверхностной концентрацией Nпов

a = (2 ∙ Nисх/ Xpn) ∙ ln(Nпов/ Nисх).

Примечание. Если исходная концентрация соответствует неравномерно легированному предшествующему слою, то градиент на координате Xpn определяется алгебраической суммой градиентов предшествующего и текущего распределений.

Градиент концентрации на металлургической границе перехода Xpn, образованного исходной концентрацией Nисх и компенсирующей примесью, распределённой по закону дополнительной функции ошибок с поверхностной концентрацией Nпов

а = [(–1,08 – 1,56 ∙ z) ∙ z ∙ Nисх/Xpn ] ∙ ln(Nпов/ Nисх), при z = [ln(Nпов/ Nисх– 0,69]0,5 .

6

Напряжение лавинного пробоя (модифицированные выражения при

φk<< Uпроб)

– резкого p-n-перехода

Uпроб = ε ∙ εo ∙ (Екр)2/(2 ∙ q ∙ Nср),

– плавного p-n-перехода

Uпроб = [32 ε ∙ εo ∙ (Екр)3/(9 ∙ q ∙ а)]0,5,

Примечание. При концентрациях примесей на границах перехода выше 1019 см–3 свойства плавных переходов подобны свойствам резких переходов. В них преобладает туннельный механизм пробоя перехода. Напряжение пробоя для таких переходов на кремнии оценивается по выражению

Uпр.т = 40 ∙ ρn + 8 ∙ ρp (B),

где ρn, ρp —удельные сопротивления материала на границах перехода. Удельное поверхностное сопротивление неравномерно легированного

слоя (R□) определяется по программе «СлойКрСт» (файл «СлойКрСт»). Экранная форма пользовательского интерфейса программы приведена в приложении А. Файл программы включён в состав методического комплекта.

К определению сопротивления R□ по формуле

R□ = 1/σ ∙ (х – хпер)

необходимо задать тип проводимости слоя, закон распределения примеси в слое, концентрации Nпов, Nисх, координаты границ слоя сверху (хпер) и снизу (х).

Если применяется программа «СлойКрСт», то она выдаёт значение (R□) после указания перечисленных выше исходных данных.

Для равномерно легированного слоя поверхностное сопротивление определяется приведенному выше соотношению. В этом случае значение электропроводности однозначно определяется по концентрации примесей в слое.

Тема 2. Проектирование топологии БПТ – 2 ч.

Кпроектированию топологии БПТ должны быть подготовлены:

–каталог топологических конфигураций БПТ;

–технологические допуски на совмещение топологических слоев ∆С

иискажение границ (∆L ≈ ∆B) фрагментов слоев по длине L и ширине B ;

–сведения о параметрах технологического варианта структуры БПТ, определяющих выбор форм и размеров топологических конфигураций (толщины структурных слоев Xi, ширины p-n-переходов при нулевом внешнем смещении Wi(0), удельные поверхностные сопротивления слоев R□i, удельные контактные сопротивления контактных пар «металлизация — полупроводник» Roi (или первичные параметры для их оценки)).

Каталог топологических конфигураций БПТ обычно содержит варианты плоских конструкций (топологий), отличающихся формой и числом эмиттеров, контактов к базе и коллектору. Простейшей является топология БПТ с одиночными полосковыми контактами к каждой их трех областей

7

Перечень вопросов занятия по теме2:

-выбор форм и размеров топологии эмиттера;

-проектирование топологии эмиттера по рабочему току;

-корректировка топологии по рабочему току;

-оценка влияния топологии на усиление БПТ.

Примерные задания по теме 2

Вариант 1 Выбрать допустимые размеры эмиттера и определить номинальный рабочий ток транзистора при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 10 мкА/мкм2.

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСБ. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы вне слоя эмиттера – 2 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база – 0.1 мкм (при 1 В) Поверхностное сопротивление эмиттера – 1 Ом, базы вне эмиттера – 200 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ200. Толщина коллектора – 2 мкм.. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 3 мкм Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм..

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ. Представить эскиз структуры и топологии прибора.

Вариант 2 Выбрать допустимые размеры эмиттера при номинальном рабочем токе транзистора 5 mA при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 10 мкА/мкм2.

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСБ. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы вне слоя эмиттера – 2 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база – 0.1 мкм (при 1 В). Поверхностное сопротивление базы вне эмиттера – 200 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ200. Толщина коллектора – 2 мкм. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 3 мкм. Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм.

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ. Представить эскиз структуры и топологии прибора.

8

Вариант 3. Выбрать допустимые размеры эмиттера при номинальном рабочем токе транзистора 5 mA при допустимой неравномерности плотности тока по эмиттеру не более 0,1 и номинальном значении плотности тока эмиттера 8 мкА/мкм2.

Прочие исходные данные:

Структуры ЭПСК. Толщина слоя эмиттера – 1 мкм; Толщина слоя базы

–3 мкм. Ширина перехода коллектор-база – 0,5 мкм (при 5 В), эмиттер-база

–0.1 мкм (при 1 В). Поверхностное сопротивление базы вне эмиттера – 300 Ом. Коэффициент передачи тока базы вертикальной структуры БПТ - 200. Топология двухэмиттерная однобазовая. Толщина коллектора – 6 мкм. Глубина разделительной изолирующей диффузии - 8 мкм. Поверхностное сопротивление коллектора – 100 Ом. Поверхностное сопротивление проводных соединений – 0,2 Ом. Все зазоры между областями на поверхности не менее 1 мкм. Удельные переходные сопротивления контактов 400 Ом*мкм2. Минимальный размер топологической фигуры – 1 мкм.

Оценить уровень влияния топологии на усиление БПТ. Представить эскиз структуры и топологии БПТ.

Расчётные соотношения к теме 2

Номинальный рабочий ток Ip = Iс ≈ Ie определяется допустимой плотностью тока Io [А/см2] в областях структуры БПТ и площадью минимального фрагмента структуры, транслирующего рабочий ток. По принципу действия БПТ фрагментом структуры с минимальной площадью является эмиттер, и поэтому рабочий ток Ip может быть определен по формуле

Ip = Se I o,

где Se [см2 ] — площадь эмиттера БПТ.

Допустимая длина эмиттера Le, вследствие относительного снижения плотности тока по длине эмиттера на величину

α2 ≤ (0.1—0.2),

определяется по формуле

Le ≤ [3 α2 B Ft/(Io R□a)]0,5.

Значение Le может быть принято больше рассчитанной величины снижением допустимой плотности тока и соответственно рабочего тока транзистора или с учётом снижения эффективности эмиттера как инжектора и снижения усиления прибора.

При известной площади эмиттера Se значение ширины эмиттера Ве определяется по формуле

Ве ≥ Se/Le,

но, как и длина эмиттера, максимальный размер ширины контакта к эмиттеру не должен превышать значение

9

Вke ≤ 3 α3 Ft Lke/(Ip Rп),

где Вke, Lke — соответственно ширина и длина контактного окна к эмиттеру;

Rп — удельное поверхностное сопротивление контактной металлизации к эмиттеру;

Ip — расчётный ток эмиттера БПТ.

Ширина и длина контактного окна к эмиттеру выбираются или оцениваются с учетом технологических ограничений

Lmin ≤ Lke = Le –2 d1 = Le –2 ∆з,

Lmin ≤ Bke = Be –2 d1 = Be –2 ∆з.

Если неравенства не выполняются, то из них определяются, при заданных Lke, Bke, ∆з, значения длины и ширины эмиттера и корректируется в сторону снижения плотность тока в эмиттере с обеспечением нормы по длине эмиттера.

Максимально допустимый размер Вke, при выбранной предварительно плотности тока, известном поверхностном сопротивлении соединений и контактов, определяется через длину эмиттера и контакта к нему по формуле

Bke ≤[3 α3 Ft Lke /(Io Rп Le)]0,5,

в которой α3 ≤ (0.1—0.2) есть допустимое относительное снижение плотности тока по измерению Bke.

Габаритные размеры БПТ определяются не только размерами топологических конфигураций на поверхности кристалла, но зависят от толщины и формы поверхности слоя в глубине кристалла. Профиль боковой поверхности объёмной области БПТ зависит от толщины слоя и технологического способа разделения слоя на «функциональные островки».

Применение диффузии для изоляции элементов ИМС сопровождается образованием «радиальных» боковых поверхностей. По отношению к формируемому элементу локальная диффузия может проводиться со стороны элемента или извне. В первом случае диффузию можно определить как

разделительную внутреннюю, во втором — как разделительную внешнюю.

Внешняя разделительная диффузия проводится для изоляции элементов формируемых в эпитаксиальных слоях структур.

Полный ток эмиттера транзистора определяется по формуле:

Ie=Io Se1+ Io Se2,

где Se1, Se2 — соответственно площади донной и боковой поверхности эмиттера, определяемые по формулам

Se1 = (Le–2 Xeb) (Be–2 Xeb),

Se2 = π Xeb (Le+Be – 2 Xeb).

Размеры и форма эмиттера выбираются таким образом, чтобы обеспечить постоянство плотности Io тока по донной площади эмиттера.

10

Носители, инжектированные через боковую поверхность эмиттера, попадают в расширенную область базы (см. рис. 2.26), причем ширина этой области зависит от профиля боковой поверхности и эмиттера, и базы. Потери переноса в базе будут состоять из потерь по основанию и потерь по боковой поверхности. Суммарный ток потерь на рекомбинацию носителей в базе Ir оценивается по выражению

Ir = Ir p + Ir s,

где

Ir p =Io Se1 (Wbn)2 / [2 Lnb2] — ток рекомбинации под донной областью эмиттера и

Ir s = Io Se2 (Wbns)2 / [2 Lnb2] — ток рекомбинации со стороны боковой поверхности эмиттера. Усредненная ширина базовой области Wbns может быть оценена по выражению вида

Wbns ≈ (0.5 Xeb+Wbn) √2.

Для структуры БПТ с диффузионным слоем базы плотность тока Io по донной поверхности эмиттера выше, чем по боковой, по причине меньшей концентрации примесей в глубине слоя и, как следствие, более низкого контактного барьера. В этом исполнении доля вносимых потерь переноса носителей по боковой поверхности сокращается. Для оценки влияния топологии на коэффициент передачи в формулах следует площадь Se2 заменить на эффективное значение, определяемое по формуле

Se2 = 0.5 π Xeb (Le+Be – 3.8 Xeb),

а Wbns определять по формуле

Wbns ≈ (0.3 Xeb+Wbn) √2.

Коэффициент передачи тока эмиттера α определяется по выражению

α ≈ (1– ∆γ– Ir/Ie).

Тема 3. Проектирование резисторов п/п ИС – 2 ч.

Резисторы применяются в цифровых и линейных интегральных микросхемах. Полупроводниковые резисторы формируются в поверхностном объеме кристалла, как правило, одновременно с изготовлением активных элементов микросхем. Такими слоями могут быть эмиттерный, базовый, коллекторный и композиционные, так называемые «зажатые» (pinch) слои базы и коллектора.

2.5.1 Перечень вопросов занятия по теме 3:

-параметры назначения резисторов;

-выбор формы, расчёт размеров топологии резистора п/п ИМС;

-расчёт элементов схемы замещения;

-корректировка размеров.

Примерные задания по теме 3