Разработка интегральных микросхем

Введение

Существуют несколько разновидностей технологического изготовления интегральных микросхем (ИМС).

Гибридная технология – характеризуется тем, что пассивные элементы изготавливаются методом пленочной технологии. Основой является изоляционная пластина, на которую наносят резистивные изоляционные и проводниковые пленки. В результате получается конструкция в которой в качестве активных элементов используются бескорпусные диоды и транзисторы.

Тонкие пленки наносят методом вакуумного напыления либо другим методом. Толстые пленки наносят методом шелкографии, когда на нужные места подожки наносят обжигаемый слой пасты.

Недостаток: пониженная по сравнению с другими видами ИС плотность упаковки.

Преимущество: простота разработки и наладки новых функциональных схем (применяют для изготовления схем частного применения).

Гибридные ИС обладают рядом специфических особенностей, главная из которых является наличие навесных компонентов. Это связано с невозможностью промышленного изготовления пленочных транзисторов и прочих активных элементов. В ГИС реализуют высокие номиналы резисторов и конденсаторов, возможна их точная подгонка, что необходимо в измерительной и преобразовательной технике. Трудоемкость разработки ГИС значительно меньше, чем полупроводниковых ИС, технологическое оборудование для производства тонкопленочных структур, И особенно толстопленочных ИС дешевле.

Пленочная технология – характеризуется созданием пленочной ИС, имеющей подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.). Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки) и соединения между элементами, выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы не делаются пленочными, так не удалось добиться их хорошего качества. Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC – цепи или какие либо другие схемы. Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2 мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Подложки представляют собой диэлектрические пластины толщиной 0.5-1.0 мм, тщательно отшлифованные и отполированные.

Совмещенная технология – обладает преимуществом каждой из рассмотренных технологий и исключает свойственные им недостатки. Конструктивной основой является полупроводниковый кристалл в объеме которого формируются все активные элементы (транзисторы, диоды), пассивные элементы создаются методом вакуумного напыления пленок. Изолирующие области получают путем использования пленок SiO2 или с помощью p-n переходов.

Недостаток заключается в необходимости сочетания двух типов технологических процессов: диффузии примеси (активных элементов) и напыления для пассивных элементов, что приводит к возрастанию цены на изготовление ИС. Однако совмещенная технология позволяет получить высокую степень интеграции и представляет возможность выбора параметров пассивных элементов в широких пределах.

Полупроводниковая технология – характеризуется тем, что как активные, так и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который и является основой интегральной схемы (ИС). Основным полупроводниковым материалом является кремний, который обладает рядом ценных свойств и за большей, чем у германия ширины запрещенной зоны позволяет получить активные элементы с меньшими обратными токами. Кремневые транзисторы обладают более высоким порогом отпирания, что повышает помехоустойчивость аналоговых и цифровых ИС.

Простота получения изолирующей поверхности достигается путем окисления исходной кремниевой пластинки и образование пленки двуокиси кремния. Эта пленка используется в качестве маски при проведении диффузии в отдельных областях кристалла, а также для создания изоляции между отдельными элементами схемы. Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования.

Стоимость элементов микросхемы, выполненной в интегральном исполнении по полупроводниковой технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине.

Номиналы элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены. Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС “чистые” резисторы с номиналом выше 50 кОм. Конденсаторы с емкостью, превышающей несколько сотен пикофарад, приходится применять в виде отдельных навесных элементов. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.

Преимущества полупроводниковых ИМС перед гибридными таковы:

Более высокая надёжность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченного количества используемых материалов, а также из-за того, что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;

Большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;

Меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС вследствие более эффективного использования преимуществ групповой технологии

В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов могут использоваться биполярные и униполярные (полевые) интегральные структуры. Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой). Полупроводниковые цифровые ИС с униполярными транзисторами со структурой МОП отличаются наиболее высокой плотностью упаковки элементов и наименьшей стоимостью изготовления. Биполярные транзисторы увеличивают стабильность схемы в широком диапазоне температур, позволяют реализовать наибольшее быстродействие и создать схемы с лучшей нагрузочной способностью. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.

Технология униполярных транзисторов позволят добиваться лучших шумовых характеристик [1, стр. 23].

Анализ технического задания

1.1 Анализ технических требований

В этом параграфе рассмотрено расширенное техническое задание на проектирование полупроводниковой интегральной микросхемы генератора напряжения в интегральном исполнении, в котором раскрыто содержание следующих пунктов:

1. Наименование изделия: полупроводниковая интегральная микросхема усилителя с непосредственной связью.

2. Назначение: Усилителями с непосредственной связью называют электронные схемы, усиливающие переменное напряжение требуемой формы [2, стр. 293].

3. Комплектность: одна микросхема.

4. Технические параметры:

напряжение питания – 10В (постоянного тока).

5. Требования к конструкции:

внешний вид интегральной микросхемы должен отвечать современным требованиям к использованию в необходимом оборудовании;

габаритные размеры микросхемы мм;

6. Характеристики внешних воздействий:

окружающая температура +4010◦C; [12, стр. 384].

относительная влажность 30…85% при температуре +25◦C; [12, стр. 384].

вибрационные нагрузки с частотой 10-2000Гц и максимальным ускорением 10-20g;многократные удары длительностью 2-6мс с ускорением 75-150g;

линейные нагрузки (центробежные) с максимальным ускорением 25-2000g;

атмосферное давление – 85.0…106.7 кПа (650…80мм.рт.ст.). [12, стр. 384].

по климатическим условиям эксплуатации ей присваиваивается индекс – У(N) – умеренный.

7. Среднее время наработки до отказа должно быть не менее 15000 ч.

8. Тип производства – специализированный выпуск. [13, стр. 238].

1.2 Анализ электрической принципиальной схемы усилителя с непосредственной связью

Усилитель с непосредственной связью собран на транзисторах VT1, VT2 – прямой проводимости.Сигнал с входа поступает на разделительный конденсатор С1 и затем усиливаемый сигнал поступает на базу транзистора VT1. Смещенный сигнал поступает на RC фильтр, образующий отрицательную обратную связь. Далее сигнал поступает на транзистор VT2 и через фильтры включенные в коллекторную цепь поступает на выход схемы. Выходной сигнал снимают с резистора R7 и с общей точки минусовой шины.

1.3 Анализ элементной базы генератора напряжения

Параметры элементов схемы используемые при разработке ИМС приведены в таблицах 1.1 – 1.4.

Таблица 1.1 - Параметры транзистора КТ 805А [4, стр. 491,502,503,524]

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Данные о параметрах
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ikmax	А	5
Максимально допустимый импульсный ток коллектора	Ik, и max	A	8
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер	Uкэ R	В	100
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер	Uкэ	В	100
Граничное напряжение биполярного транзистора	U кэо гр	В	160
Сопротивление перехода база - эмиттер	Rбэ	кОм	0.01
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Pк	Вт	30
Постоянный ток базы	Iб	А	2
Постоянный ток эмитера	Iэ	А	2
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - база	Uкб max	В	150
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер - база	Uэб max	В	5
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы	h21э	-	15
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э транзистора (включенного по схеме с общим эмиттером) равен единицы	fгр	МГц	10
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо	мА	60
Постоянный обратный ток коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер	Ikэr	мА	60
Постоянный обратный ток эмитера	Iэбо	мА	100
Напряжение насыщения коллектор - эмитер	Uкэ нас	В	2.5

Продолжение табл. 1.1

Напряжение насыщения база - эмиттер	Uбэ нас	В	2.5
Время рассеивания параметра биполярного транзистора	tрас	мкс	-
Время включения параметра биполярного транзистора	tвкл	мкс	-
Время включения параметра биполярного транзистора	tвыкл	мкс	-
Емкость коллекторного перехода. При увеличении обратного напряжения емкость уменьшается	Ск	пф	60
Емкость эмиттерного перехода. При увеличении обратного смещения на эмиттере емкость уменьшается.	Сэ	пф	115
Температура p-n перехода	Тп	◦С	<100

Таблица 1.2 - Параметры транзистора КТ 502Е[4, стр.491,500,501,524]

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Данные о параметрах
Максимально допустимый постоянный ток коллектора	Ikmax	мА	150
Максимально допустимый импульсный ток коллектора	Ik, и max	мA	350
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер	Uкэ R	В	60
Постоянное напряжение коллектор – эмиттер	Uкэ	В	60
Сопротивление перехода база - эмиттер	Rбэ	Ом	10
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора	Pк	мВт	350
Коэффициент шума транзистора	Кш	Дб	-
Постоянный ток эмитера	Iэ	мА	1
Максимально допустимое постоянное напряжение коллектор - база	Uкб max	В	90
Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер - база	Uэб max	В	5
Коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы	h21э	-	40…120

Продолжение табл. 1.2

Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой h21э транзистора (включенного по схеме с общим эмиттером) равен единицы	fгр	кГц	1
Постоянный обратный ток коллектора	Iкбо	мкА	1
Постоянный обратный ток коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база - эмиттер
Постоянный обратный ток коллектора - эмиттера	Iкэо	мкА	1
Напряжение коллектор - база	Uкб	В	3
Ток коллектора	Iк	мА	0.6
Ток перехода коллектор - эмитттер	Iкэо	мкА	50
Выходная полная проводимость	H22э	мкСм	5
Емкость коллекторного перехода. При увеличении обратного напряжения емкость уменьшается	Ск	пф	20
Температура p-n перехода	Тп	◦С	<80

Таблица 1.3 - Параметры диода Д303[4, стр.473,474,476]

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Данные о параметрах
Средний прямой ток: среднее за период значение тока через диод	Iпр.ср.	А	3
Импульсный прямой ток: наибольшее мгновенное значение прямого тока, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся переходные токи	Iпр.и.	А	-
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение	Uобр max	В	150
Среднее прямое напряжение: среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем прямом токе	Uпр ср	В	0.3
Средний прямой ток: среднее за период значение прямого тока через диод	Iпр.ср	А	3
Постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением	Iобр	мА	1
Время обратного восстановления: время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения	Tвос.обр	мкс	-
Максимально допустимая частота: наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода	fmax	кГц	5

Таблица 1.4 - Параметры диода Д242Б [4, стр.473,474,476]

Параметр	Обозначение	Единица измерения	Данные о параметрах
Средний прямой ток: среднее за период значение тока через диод	Iпр.ср.	А	5
Импульсный прямой ток: наибольшее мгновенное значение прямого тока, исключая повторяющиеся и неповторяющиеся переходные токи	Iпр.и.	А	-
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение	Uобр max	В	100
Среднее прямое напряжение: среднее за период значение прямого напряжения при заданном среднем прямом токе	Uпр ср	В	1.5
Средний прямой ток: среднее за период значение прямого тока через диод	Iпр.ср	А	5
Постоянный обратный ток, обусловленный постоянным обратным напряжением	Iобр	мА	3
Время обратного восстановления: время переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение от момента прохождения тока через нулевое значение до момента достижения обратным током заданного значения	Tвос.обр	мкс	-
Максимально допустимая частота: наибольшая частота подводимого напряжения и импульсов тока, при которых обеспечивается надежная работа диода	fmax	кГц	1.1

Выбор и обоснование конструктивных и технологических матриалов

Для изготовления полупроводниковых интегральных схем используют в большинстве случаев пластины монокристаллического кремния p- или n- типа проводимости, снабженными эпитаксиальными и так называемыми “скрытыми” слоями. В качестве легирующих примесей, с помощью которых изменяют проводимость исходного материала пластины, применяют соединения бора, сурьмы, фосфора, алюминия, галлия, индия, мышьяка, золота. Для создания межсоединений и контактных площадок используют алюминий и золото. Применяемые материалы должны обладать очень высокой чистотой: содержание примесей в большинстве материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых микросхем, не должно превышать 10-5...10-9 частей основного материала.

Изменяя определенным образом концентрацию примесей в различных частях монокристаллической полупроводниковой пластины, можно получить многослойную структуру, воспроизводящую заданную электрическую функцию и до известной степени эквивалентную обычному дискретному резистору, конденсатору, диоду или транзистору. [1, стр. 24-25].

Необходимо отметить, что материал используемый для изготовления интегральной микросхемы должен определятся параметрами зависящими от свойств материала, а именно: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещённой зоны, положения в ней примесных уровней и т. д. Немаловажное значение играют электрические свойства полупроводникового материала: тип электропроводности, концентрация носителей заряда и их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина.

К основным требованиям, которым должны удовлетворять все материалы, используемые в производстве интегральных МС, относятся:

стойкость к химическому воздействию окружающей среды;

монокристаллическая структура;

однородность распределения;

устойчивость к химическим реагентам;

механическая прочность, термостойкость;

устойчивость к старению и долговечность.

Важным фактором, который должен учитываться при определении возможности применения какого-либо материала или технологического процесса производства ИМС, является его совместимость с другими применяемыми материалами [1, стр.24,25, 27].

Приведем параметры некоторых проводящих материалов и параметры некоторых полупроводниковых материалов.

Таблица 2.1 - Физические и электрические параметры проводящих материалов[6]

Величина	Перечень материалов
Величина	Алюминий	Золото	Медь	Никель	Олово	Свинец	Серебро
Плотность, 103кг/м3	2,7	19.3	8.9	8,9	7,3	11,4	10.5
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*К)	0,92	0,13	0,38	0,5	0,25	0,13	0,25
Температура плавления, єС	660	1064	1083	1455	232	327	960
Удельная теплота плавления, кДж/кг	380	66,6	175	-	58	25	87
Предел прочности ГПа	0,25	-	0,24	-	0.027	0,016	0,14
Удельное сопротивления ,10-8 Ом*м	2,8	-	1,7	7,3	12,0	21,0	1,6
Температурный коэффициент сопротивления, *10-3 єС-1	4,2	-	4,3	6,5	4,9	3,7	4,1
Модуль Юнга *1010 Па	7	-	12	-	-	1,7	-

Таблица. 2.2 - Основные свойства некоторых полупроводниковых материалов[5, стр. стр. 135]

Параметр и единица измерения	Полупроводниковые материалы
Параметр и единица измерения	Кремний	Германий	Арсенид галлия	Антимонид индия	Карбид кремния
Атомная молекулярная масса	28,1	72,6	144,6	118,3	40,1
Плотность, г/см-3	2,.33	5,32	5,4	5,78	5,32
Концентрация атомов ∙10 22, см-3	5	4,4	1,3	1,4	4,7
Постоянная решетки, нм	0,543	0,566	0,563	0,648	0,436
Температура плавления,°С	1420	937	1238	520	2700
Коэффициент теплопроводности, Вт/(см∙К)	1,2	0,586	0,67	0,17	0,084
Удельная теплоемкость, Дж/(г∙К)	0,76	0,31	0,37	1,41	0,62…0,75
Подвижность электронов, см2/(В∙с)	1300	3800	8500	77000	100..150
Подвижность дырок, см2/(В∙с)	470	1820	435	700	20…30
Относительная диэлектрическая проводимость	12	16	11	16	7
Коэффициент диффузии электронов, см2/c	33,6	98	220	2200	2,6…3,9
Коэффициент диффузии дырок, см2/с	12,2	47	11,2	18	0,5…0,77
Ширина запрещенной зоны, эВ (Т = 300 К)	1,12	0,67	1,41	0,18	3,1

Таблица 2.3 - Ширина запрещенной зоны (в эВ) элементарных полупроводников (при T=300K) [5, стр. 134]

Элемент	Э
Бор	1.1
Углерод (алмаз)	5.6
Кремний	1.12
Германий	0.0665
Олово	0.08
Фосфор	1.5
Мышьяк	1.2
Сурьма	0.12
Сера	2.5
Селен	1.8
Тейлур	0.36
Йод	1.25

При изготовлении ИМС применение получили кремний, германий, арсенид и фосфид галлия, антимонид индия, карбид кремния. Наиболее распространёнными в этой области является кремний, однако применение в изготовлении ИМС находят многие из перечисленных выше соединения.

Арсенид галлия GaAs, обладающий более высокой подвижностью электронов и большей шириной запрещенной зоны. Его применяют в ИС высокого быстродействия , в частности в микросхемах СВЧ, но главным образом для изготовления дискретных приборов СВЧ. Широкому применению этого материала в микроэлектронной технологии препятствует сложность его получения и обработки. Арсенид галлия GaAs , фосфид галлия GaP, карбид кремния SiC служат для изготовления светодиодных структур в оптоэлектронных ИС. Антимонид индия InSb , имеющий очень высокую подвижность электронов, является перспективным материалом для создания ИС очень высокого быстродействия. Однако из-за малой ширины запрещенной зоны этого полупроводника работа таких микросхем возможна только при глубоком охлаждении [7].

Кремний кристаллизуется в структуре алмаза. В химическом отношении при комнатной температуре он является весьма инертным веществом – не растворяется в воде и не реагирует со многими кислотами в любых количествах, устойчив на воздухе даже при температуре 900єС, при повышении температуры – окисляется с образованием двуокиси кремния. Вообще, при нагревании кремний легко реагирует с галогенами, хорошо растворим во многих расплавах металлов. Атомы элементов валентностью 3,5 являются донорами и акцепторами, создавая мелкие уровни в запрещенной зоне. Элементы 1,2,6,7 вносят глубокие уровни в запрещенную зону и вносят изменения во время жизни неосновных носителей заряда. Акцепторный уровень расположен в верхней половине запрещенной зоны [5, стр.145-156].

В разрабатываемой МС в качестве подложки будет применяться кремний, у которого следующие преимущества перед германием:

Большая ширина запрещённой зоны, что даёт возможность создавать резисторы с большими номинальными значениями;

Более высокие рабочая температура и удельные нагрузки;

Транзисторы работают при значительно больших напряжениях;

Меньшие токи утечки в p-n- переходах;

Более устойчивая к загрязнениям поверхность;

Плёнка двуокиси кремния, созданная на его поверхности, имеет коэффициенты диффузии примесей значительно меньше, чем сам кремний [5. стр. 135-144,144-156].

Для разработки интегральной микросхемы генератора напряжения будем использовать следующие элементы и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний. В качестве акцепторной примеси будем использовать бор; фосфор и сурьма – как донорную примесь. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO2, которая в свою очередь характеризуется следующим:

образует равномерное, сплошное, прочное покрытие на поверхности монокристаллического кремния; допускает строгий контроль толщины и имеет коэффициент термического расширения, примерно равный такому же коэффициенту кремния;

защищает кремний от диффузии;

является изоляционным материалом с достаточной величиной диэлектрической постоянной;

легко стравливается или удаляется с локальных участков;

обеспечивает защиту поверхности кремния.

В полупроводниковых МС межэлементные связи осуществляются с помощью плёночных проводников. Материалы проводников должны обеспечивать низкоомный контакт к кремниевым электродам, обладать хорошим сцеплением с диэлектриком и кремнием, быть металлургически совместимым с материалами, которые применяются для присоединения внешних выводов к контактным площадкам. Основными материалами при получении соединений для полупроводниковых ИМС является золото и алюминий. В некоторых случаях находят применения никель, хром, серебро. Основным недостатком золота является его плохая адгезия к плёнке двуокиси кремния. Поэтому в качестве материала для разводки и контактных площадок будем применять алюминий, который обладает хорошей адгезией к кремнию и его оксиду, хорошей электропроводностью, легко наносится на поверхность ИМС в виде тонкой плёнки, дешевле. В качестве внешних выводов будем применять золотую проволоку, поскольку алюминий характеризуется пониженной механической прочностью.

Необходимо отметить, что одним из критериев выбора материала для подложки являются определенные требования, предъявляемые к подложкам в течение всего процесса изготовления микросхемы. Электрофизические характеристики монокристаллических полупроводниковых пластин и их кристаллографическая ориентация должны обеспечивать получение микросхем с заданными свойствами. Исходя из этого, на этапе проектирования выбирают необходимую ориентацию и марку полупроводникового материала, а в процессе изготовления пластин выполняют контроль кристаллографической ориентации и основных электрофизических параметров. В случае необходимости пластины классифицируют по значениям электрофизических параметров. Основные требования к пластинам кремния представлены в таблице 2.4

Таблица 2.4 - Основные требования к пластинам кремния[9, стр. 319]

Характеристика пластин

Диаметр, мм

Допустимые значения

Точность кристаллографической ориентации рабочей поверхности

Отклонение диаметра

Отклонение толщины от номинала в партии

Отклонение толщины от номинала по пластине

Длина базового среза

Длина дополнительных срезов

Непараллельность сторон (клиновидность)

76; 100

100

76; 100

100

76; 100

±0,5°

±0,5 мм

±(0,5…0,8) мм

±(10…20) мкм

±(5…10) мкм

20…25 мм

30…35 мм

9…11 мм

16…20 мм

±0,5 %

Неплоскостность

Прогиб в исходном состоянии

Прогиб после термоиспытаний

Шероховатость рабочей стороны

Шероховатость нерабочей стороны

Механически нарушенный слой

Адсорбированные примеси

Атомы, ионы

Молекулы

100

76; 100

4…9 мм

5…9 мм

15…30 мм

20…40 мм

50 мкм

60 мкм

Rx ≤ 0.05 мкм

Ra ≤ 0.5 мкм

Шлифовано-травленная

Полное отсутствие

Меньше 1012…1014 атом/см2; ион/см2

Менее одного монослоя

Отметим также, что проведение различных операций, таких как резка, шлифование свободным абразивом, механическое полирование и др. сопровождается нарушением слоя кремния у поверхности подложки и вглубь ее, что приведет к неправильным результатам дальнейших процессов. Поэтому существуют некоторые стандарты нарушения поверхности пластин кремния, которые недопустимо превышать. Ниже представлена таблица, которая содержит оптимальные нарушения поверхности подложки кремния[9].

Таблица 2.5 - Глубина нарушенного слоя пластин кремния после механических обработок

Технологические операции

Условия обработки

Глубина нарушенного слоя, мкм

Резка алмазным кругом с внутренней режущей кромкой

Шлифование

Шлифование и полирование

Химико – механическое полирование

Зернистость режущей кромки АСМ 60/53; n=4000 об/мин-1; подача 1 мм/мин

Свободный абразив – суспензии порошка:

ЭБМ-10

ЭБМ-5

Связанный абразив – круг АСМ 28

Алмазная паста:

АСМ-3

АСМ-1

АСМ-0,5

Суспезия аэросила, SiO2 зерно 0,04…0,3 мкм

Суспензия ZrO2 0,1…0,2мкм

Суспензия α-Аl2O3 0.05…1мкм

Суспензия цеолита

20…30

11…15

7…9

14…16

6…9

5…6

1…2

1…1,5

1…2

После выбора материала подложки приступают к выбору материала примесей. Здесь важнейшим критерием является необходимый тип проводимости полупроводникового материала, после легирования. Ниже представлена таблица 2.6, в которой описаны все материалы, используемые в качестве примесей. Важными параметрами примесей является предельная растворимость полупроводника и температура, при которой производят процесс легирования (см. таблицу 2.10).

Таблица 2.6 - Электрическое поведение наиболее распространенных примесей в важнейших полупроводниках[9, стр. 318]

Полупроводник

Нейтральные примеси

Доноры

Акцепторы

Примеси, создающие глубокие уровни

Кремний

Германий

Арсенид галлия

Фосфид галлия

H, N, C, Ge, Sn, Pb, Ar

H, N, B, Al, In, P, Sb

H, N, B, Al, In, As, Sb

P, As, Sb, Li

Si, Sn, Te, S, Se

B, Al, Ga, In

Zn, Cd, Be, Li

Be, Mg, Zn, Cd, C

Cu, Au, Zn, Mn, Fe, S, Ni

Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Mn, Ni, Fe, S, Se, Te

Cr, Fe, V, Ni, Mg, Au, Ge, Mn, Ag

Cu, O, Ge, Co, Fe, Cr,Mn

Для разработки интегральной микросхемы дифференциального каскада воспользуемся следующими элементами и их соединениями: в качестве полупроводниковой пластины будем использовать кремний; в качестве акцепторной примеси будем использовать бор и алюминий; фосфор – как донорную примесь. В качестве межэлементных соединений будем использовать алюминий. В качестве изолирующего диэлектрика будет применяться двуокись кремния SiO2.

Необходимо отметить, что при проектировании интегральной микросхемы производят совокупность определенных процессов, таких как фотолитография, легирование, очистка и др. При проведении этих процессов пользуются вполне определенным набором веществ. При проведении процесса фотолитографии используются фоторезисты, основные виды которых представлены в таблице 2.9. Травление осуществляется химическими веществами, которые описаны в таблице 2.8. При выборе материала для проведения шлифования, особое внимание акцентируют на размер зерен, от которого зависит качество шлифования и возможные повреждения поверхности полупроводникового материала в результате ее проведения. Основные типы порошков приведены в таблице 2.7

Таблица 2.7 - Характеристика абразивных и алмазных порошков

[9, стр.321]

Группа

Номер зернистости

Размер зерен основной фракции, мкм

По ГОСТ 3647-71

По ГОСТ 9206-70

Абразивные шлифпорошки

Абразивные микропорошки

Абразивные тонкие микропорошки

Алмазные микропорошки

М63

М50

М40

М28

М20

М14

М10

М7

М5

60/40

40/28

28/20

20/14

14/10

160…125

125…100

100…80

80…63

63…50

50…40

40…28

63…50

50…40

40…28

28…20

20…14

14…10

10…7

7…5

5…3

60…40

40…28

28…20

20…14

14…10

10/7

7/5

5/3

3/2

2/1

1/0

10…7

7…5

5…3

3…2

2…1

1 и менее

Таблица 2.8 - Основные кислотные травители для кремния

[9, стр. 78]

Тип травителя

Обьемный состав

Применение

Время травления

СР-8

СР-4А

Травитель Уайта

Травитель Деша

HNO3:HF=2:1

HNO3:HF:

:CH2COOH=5:3:5

HNO3:HF=3:1

HNO3:HF:

:CH2COOH=3:1:8

Химическое полирование

Химическое полирование и выявление границ p-n-переходов

Химическое полирование плоскостей(111)

Медленное химическое полирование любых плоскостей

1…2 мин

2…3 мин

15 с

1…16 ч

Таблица 2.9 - Характеристики некоторых фоторезистов[9, стр. 104]

Марка фоторезиста

Разрешающая способность при толщине слоя 1 мкм

Кислотостойкость по плотности дефектов, мм-2, не более

Стойкость к проявителю, с

Кинематическая вязкость в состоянии поставки

при 20°С

ФП-307

ФП-309

ФП-330

ФП-333

ФП-334

ФП-383

ФП-РН-7

ФП-617

ФП-617П

ФП-626

ФН-106

ФН-108

500

400

500

400

500

200

400

0,35

0,5

0,75

0,2

0,05

0,005

0,4

0,25

180

600

180

5,9

4,5

6…2,5

2…2,5

21…26

8…15

20,5…25,5

3,5

Таблица 2.10 - Предельная растворимость примесей в кремнии[9, стр. 189]

Примесь

Предельная растворимость, см-2

Температура, °С

Алюминий

Бор

Фосфор

Галлий

Индий

Сурьма

Мышьяк

Золото

1019…1020

5*1020

1,3*1021

4*1019

1019

6*1019

2*1021

1017

1150

1200

1150

1250

1300

1150

1300

Одним из важных моментов в разработке микросхемы является ее корпус. При выборе корпуса руководствуются конструктивно - технологическими характеристиками. Огромное влияние оказывает диапазон рабочих температур, механическая прочность, климатические условия, в котором, как предполагается, будет работать микросхема и т.д. Классификация корпусов ИС помещена в таблице 2.11. Конструктивно – технологические характеристики некоторых корпусов ИС помещены в таблице 2.12 .

При выборе корпуса внимание было акцентировано на универсальность и простоту монтажа схемы.

Кроме того, пластмассовые прямоугольные корпуса обладают рядом преимуществ перед остальными типами корпусов, регламентируемых ГОСТом 17-467-79. А именно: небольшая высота корпуса, позволяющая уменьшить объем радиоэлектронного узла: возможность создания корпуса с большим числом выводов; позволяют применять различные методы их присоединения к печатной плате.

Таблица 2.11 - Классификация корпусов ИС по ГОСТ 17-467-79

[7, стр 301]

Тип	Подтип	Форма корпуса	Расположение выводов
1	11	Прямоугольная	Выводы расположены в пределах проекции тела корпуса	перпендикулярно, в один ряд
	12			Перпендикулярно в два ряда
	13			Перпендикулярно в три и более ряда
	14			Перпендикулярно по контуру прямоугольника
2	21	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Перпендикулярно в два ряда
2	22	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Перпендикулярно в четыре ряда в шахматном порядке
3	31	Круглая	В пределах проекции тела корпуса	Перпендикулярно по одной окружности
	32	Овальная	В пределах проекции тела корпуса
	33	Круглая	За пределами проекции тела корпуса
4	41	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Параллельно по двум противоположным сторонам
4	42	Прямоугольная	За пределами проекции тела корпуса	Параллельно по четырем сторонам
5	51	Прямоугольная	В пределах проекции тела корпуса	Металлизированные контактные площадки по периметру корпуса

Таблица 2.12 - Конструктивно – технологические характеристики некоторых корпусов ИС[7, стр. 301]

Условное обозначение корпуса

Вариант исполнения

Масса, г

Размеры корпуса, мм

Размеры монтажной площадки, мм

1202.14(151.14-1)

1203.15(151.15-1)

1203.15(151.15-3)

1210.29(157.29-1)

2103.8(201.8-1)

2102.14(201.14-2)

2102.14(201.14-8)

2103.16(201.16-8)

2204.48(244.48-1)

3101.8(301.8-2)

3107.12(301.12-1)

3204.10(311.10-1)

4104.14(401.14-2)

4110.16(402.16-1)

4122.40-2

4138.42-2

eft: 1px solid #000000; border-right: none; padding-top: 0in; padding-bottom: 0in; padding-left: 0.08in; padding-right: 0in;">

МС

МК

МС

МК

1,6

2,0

1,6

1,8

1,2

1,55

1,6

4,15

1,3

1,0

3,0

4,8

19,5*14,5*4,9

19,5*14,5*5

19,5*14,5*4

39*29*5

19*7,8*3,2

19*7,2*3,2

19,5*7,2*5,5

19*7,2*3,2

31*16,5*4

9,5; H=4.6

39*25*7

10*6.6*2

12*9.5*2.5

25.75*12.75*3

36*24*3.5

16*8

17*8.3

5.6*6.2

34*20

5*3

8*8

3*3

5*5

4.9*2

5.5*3.5

6.2*5.2

10.7*8.3

Примечание: К – керамический, МК – металлокерамический, МС - металлостеклянный, П – пластмассовый.

Низкая стоимость пластмассового корпуса определяется: дешевизной применяемого материала и технологии изготовления корпуса, в которой операции формирования монолитного корпуса и герметизации ИМС совмещены; возможностью автоматизации сборки с использованием плоских выводов в виде рамок; возможностью осуществления групповой технологии герметизации, например литьевого прессования с помощью многоместных прессформ или метода заливки эпоксидным компаундом в многоместные литьевые формы. При использовании пластмассового корпуса монтаж кристалла производится на технологическую контактную рамку, представляющую собой пластину с выштампованными внешними выводами, которые в процессе монтажа остаются прикрепленные к контуру рамки. Более длинный вывод заканчивается площадкой, находящейся в центре системы выводов, на нее припаивается кристалл. После монтажа термокомпрессионной сваркой проволочных перемычек между контактными площадками кристалла и выводами корпуса осуществляется предварительная защита собранного узла ( особенно проволочных перемычек) каплей компаунда холодного отвердевания. Когда отвердевание компаунда завершено, узел направляют на заливку под давлением во временной форме компаундом горячего отвердевания. После герметизации технологическая рамка отделяется в штампе, а выводы формуются соответственно типоразмеру изготавливаемого пластмассового корпуса.

Выводы в технологических рамках целесообразно выполнять в отрезках ленты длиной до 250 мм на несколько микросхем. Это облегчает автоматизацию процесса монтажа, а также обеспечивает загрузку многоместных форм для заливки компаундом. Для крепления кремниевых кристаллов на основание корпуса наиболее широкое распространение получил метод пайки эвтектическим сплавом золота (98% Au) с кремнием (2% Si) c температурой плавления 370оС. Такой сплав образуется в месте соприкосновения кремния с золотым покрытием основания корпуса благодаря взаимной диффузии золота и кремния. Более дешевым методом является клейка кремниевых кристаллов на основание корпуса(например клеем ВК-9 ) [8].

Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.

3. Конструктивные расчеты

3.1 Расчет параметров транзисторов

Таблица 3.1.1 Исходные параметры транзистора КТ805А

Наименование параметра	значение	Единица измерения
hб –глубина залегания р-n перехода база-коллектор		см
hэ - глубина залегания эмиттерного р-n перехода	0.8	см
hк- толщина коллекторной области		см
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области у эмиттерного перехода
- поверхностная концентрация акцепторов в базе
- концентрация донорной примеси в коллекторе
- удельное объемное сопротивление коллекторной области
- удельное поверхностное сопротивление пассивной области базы		
- удельное поверхностное сопротивление активной области базы		
- диффузионная длина дырок в эмиттере		см
- коэффициент диффузии дырок в эмиттере
- диффузионная длина электронов в базе		см
- коэффициент диффузии электронов в базе
- диффузионная длина дырок в коллекторе		см
- коэффициент диффузии дырок в коллекторе
- концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике
- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника		-

Основные параметры дрейфового транзистора при малых уровнях токов определяются по формулам, которые помещены ниже. Размеры транзистора определяются, исходя из особенностей конструкции и величины Δ (обычно принимают Δ=3…4 мкм).

Ширина эмиттера Rэ=3Δ, площадь эмиттера Sэ=300 мкм2

Длина эмиттера:

; (1)

мкм

Длина базы:

(2)

Значения омических сопротивлений областей транзистора можно оценить по формулам :

(3)

Ом

(4)

Ом

где Кк = 0 для конструкции с одним базовым контактом; ,-удельное поверхностное сопротивление пассивной и активной областей базы, Ом/□; (100 – 300) Ом/□; (1 – 10) кОм/□; hк – толщина коллекторной области , см,(2 -10) мкм; hб – глубина залегания p-n – перехода база – коллектор, см, (1 - 3) мкм; ρк – удельное объемное сопротивление коллекторной области Ом*см; (0,1 – 1)

Ширина базы составляет :

(5)

где =(0,5 – 2,5) мкм

мкм

Коэффициент переноса вычисляется по формуле:

(6)

где - диффузионная длина базы, =(2 – 50) мкм; - концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода,

=(0,1–1) * 1018 см; - концентрация донорной примеси в коллекторе, см-3, =(0,05 – 1)*1017 ;

Коэффициенты , и высчитываются по формулам :

(7)

мкм;

(8)

(9)

Максимальные напряжения переходов (коллектор – база, эмиттер – база, эмиттер - коллектор) рассчитываются по формулам:

(10)

(11)

(12)

- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Инверсный коэффициент передачи транзистора (Bi) можно определить по следующей формуле:

(13)

Емкость перехода коллектор-база эмиттер – база определим как:

(14)

Ф; (15)

Ф;

Обратный ток эмиттера определяется по формуле:

(16)

А;

Обратный ток коллектора определяется по формуле:

(17)

А;

[8. стр.20-27]

Расчет параметров транзистора, необходимых для реализации транзистора VT1 в интегральном исполнении, показал что длина эмиттера Ze=144 мкм достаточно велика. Отношение параметров Zе/Re>1, следовательно целесообразно длинную эмитерную полоску разделить на несколько коротких эмиттеров, что и было сделано в ходе разработки топологии ИМС.

Решив неравенство получили, что М=3. Следовательно исходный эмиттер разбиваем на три полоски.

Таблица 3.1.2 Расчетные параметры транзистора КТ805А.

Наименование параметра	Значение	Единица измерения
- коэффициент передачи	9.086E+4	-
- коэффициент инжекции эмиттерного перехода	0.99	-
- коэффициент переноса	1	-
-диффузионная длина акцепторов	5.212E-7	см
- диффузионная длина доноров	1.158E-7	см
-ширина базы	1.2E-6	см
-инверсный коэффициент передачи	53.642	-
-площадь эмиттера	3E-6
- площадь базы	2E-5
-коэффициент	0
- обратный ток эмиттера	7.073E-12	A
- обратный ток коллектора	1.626E-11	A
	0.817	-
	0.937	-
-температурный потенциал	0,026	-
-емкость перехода коллектор-база	3.354E-11	Ф
- емкость перехода эмиттер-база	1.367E-11	Ф
-максимальное напряжение коллектор-база	4.527	В
- максимальное напряжение эмиттер-база	2.795E-3	В
- максимальное напряжение эмиттер- коллектор	0.817	В
-омическое сопротивление базы	1.556E-3	Ом
- омическое сопротивление коллектор	1.958	Ом

Таблица 3.1.3 Исходные параметры транзистора КТ502Е

Наименование параметра	значение	Единица измерения
hб –глубина залегания р-n перехода база-коллектор		см
hэ - глубина залегания эмиттерного р-n перехода	0.8	см
hк- толщина коллекторной области		см
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области на поверхности
- концентрация донорной примеси в эмиттерной области у эмиттерного перехода
- поверхностная концентрация акцепторов в базе
- концентрация донорной примеси в коллекторе
- удельное объемное сопротивление коллекторной области
- удельное поверхностное сопротивление пассивной области базы		
- удельное поверхностное сопротивление активной области базы		
- диффузионная длина дырок в эмиттере		см
- коэффициент диффузии дырок в эмиттере
- диффузионная длина электронов в базе		см
- коэффициент диффузии электронов в базе
- диффузионная длина дырок в коллекторе		см
- коэффициент диффузии дырок в коллекторе
- концентрация носителей зарядов в собственном полупроводнике
- относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника		-

Расчет параметров транзисторов структуры p-n-p практически аналогичен расчету транзисторов структуры n-p-n.

Ширина эмиттера Rэ=3Δ, площадь эмиттера Sэ=300 мкм2

Длина эмиттера:

;

мкм

Длина базы:

(18)

Значения омических сопротивлений областей транзистора можно оценить по формулам :

(19)

Ом

(20)

Ом

Ширина базы составляет :

(21)

где =(0,5 – 2,5) мкм

мкм

Коэффициент переноса вычисляется по формуле:

где - диффузионная длина базы, =(2 – 50) мкм; - концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода,

=(0,1–1) * 1018 см; - концентрация донорной примеси в коллекторе, см-3, =(0,05 – 1)*1017 ;

Коэффициенты , и высчитываются по формулам :

(22)

мкм;

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Инверсный коэффициент передачи транзистора (Bi) можно определить по следующей формуле:

(30)

Емкость перехода коллектор-база и эмиттер – база определим как:

(31)

Ф; (32)

Ф;

Обратный ток эмиттера определяется по формуле:

(33)

Обратный ток коллектора определяется по формуле:

(34)

А ;

Таблица 3.1.4 Расчетные параметры транзистора КТ502Е

Наименование параметра	Значение	Единица измерения
- коэффициент передачи	1.368E+3	-
- коэффициент инжекции эмиттерного перехода		-
- коэффициент переноса	0.999	-
-диффузионная длина акцепторов	5.212E-7	см
- диффузионная длина доноров	1.158E-7	см
-ширина базы	1.2E-6	см
-инверсный коэффициент передачи	53.642	-
-площадь эмиттера
- площадь базы
-коэффициент	0
- обратный ток эмиттера	7.073E-12	A
- обратный ток коллектора	1.626E-11	A
		-
		-
-температурный потенциал		-
-емкость перехода коллектор-база	3.354E-11	Ф
- емкость перехода эмиттер-база	1.367E-11	Ф
-максимальное напряжение коллектор-база	4.527	В
- максимальное напряжение эмиттер-база	2.795E-3	В
- максимальное напряжение эмиттер- коллектор	0.817	В
-омическое сопротивление базы	1.556E-3	Ом
- омическое сопротивление коллектор	1.958	Ом

3.2 Расчет параметров диодов

Диоды формируются на основе одного из переходов планарно – эпитаксиальной структуры. Диоды сформированные на основе перехода эмиттер – база, характеризуются наименьшими значениями обратного тока за счет малой площади и самой узкой области объемного заряда. Для других структур значение паразитной емкости характеризуется временем восстановления обратного сопротивления, т.е. временем переключения диода из открытого состояния в закрытое. Оно минимально (около 10 нс) для перехода эмиттер – база, при условии, что переход коллектор – база закорочен, при условии, что переход переход коллектор – база закорочен, так при такой диодной структуре заряд накапливается только в базовом слое. В других структурах заряд накапливается не только в базе, но и в коллекторе, поэтому время восстановления обратного сопротивления составляет 50…100нс.

Диод на основе транзисторной структуры с замкнутым переходом база – коллектор предпочтительнее использовать в цифровых ИМС, поскольку он обеспечивает наибольшее быстродействие. Диод на основе перехода эмиттер – база применяют в цифровых схемах в качестве накопительного диода. Диоды с замкнутым переходом база – эмиттер, имеющие наибольшие напряжения пробоя, могут быть использованы в качестве диодов общего назначения [8, стр. 27,29].

3.2.1 Расчет параметров диода Д242Б

Ширина эмиттера Rэ=3Δ, площадь эмиттера Sэ=300 мкм2

Длина эмиттера:

; (1)

мкм

Длина базы:

(2)

Значения омических сопротивлений областей транзистора можно оценить по формулам :

(3)

Ом

(4)

Ом

Ширина базы составляет :

(5)

где =(0,5 – 2,5) мкм

мкм

Коэффициент переноса вычисляется по формуле:

(6)

где - диффузионная длина базы, =(2 – 50) мкм; - концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода,

=(0,1–1) * 1018 см; - концентрация донорной примеси в коллекторе, см-3, =(0,05 – 1)*1017 ;

Коэффициенты , и высчитываются по формулам :

(7)

(8)

мкм;

(9)

(10)

(11)

(12)

- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Инверсный коэффициент передачи транзистора (Bi) можно определить по следующей формуле:

(13)

Емкость перехода коллектор-база и эмиттер – база определим как:

(14)

Ф; (15)

Ф;

Обратный ток эмиттера определяется по формуле:

(16)

А;

Обратный ток коллектора определяется по формуле:

(17)

А;

3.2.2 Расчет параметров диода Д303

Ширина эмиттера Rэ=3Δ, площадь эмиттера Sэ=300 мкм2

Длина эмиттера:

; (18)

мкм

Длина базы:

(19)

Значения омических сопротивлений областей транзистора можно оценить по формулам :

(20)

Ом

(21)

Ом

Ширина базы составляет :

(22)

где =(0,5 – 2,5) мкм

Wb= 5E-7 мкм

Коэффициент переноса вычисляется по формуле:

(23)

где - диффузионная длина базы, =(2 – 50) мкм; - концентрация донорной примеси у эмиттерного перехода,

=(0,1–1) * 1018 см; - концентрация донорной примеси в коллекторе, см-3, =(0,05 – 1)*1017 ;

Коэффициенты , и высчитываются по формулам :

(24)

мкм;

(25)

мкм;

(26)

(27)

(28)

(29)

- концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике.

Инверсный коэффициент передачи транзистора (Bi) можно определить по следующей формуле:

(13)

Емкость перехода коллектор-база и эмиттер – база определим как:

(30)

(31)

Ф;

Обратный ток эмиттера определяется по формуле:

(32)

Обратный ток коллектора определяется по формуле:

(33)

А;

3.3 Расчет параметров резисторов

Резисторы формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования. Вид резистора выбирают, исходя из заданного номинального значения и точности изготовления.

Основным конструктивным параметром диффузионного резистора является величина ρs, которая зависит от режима диффузии. Параметры диффузионного резистора улучшают подбором конфигурации и геометрических размеров.

Рассчитаем промежуточные и конечные параметры для резисторов, соответствующих данному курсовому проекту: 4.7кОм, 2.2 кОм, 2.2 кОм, 470 кОм.

Исходными данными для расчетов резисторов являются: R – сопротивление резистора; ΔR – допуск; - поверхностное сопротивление легированного слоя; P0 – максимально допустимая удельная мощность рассеяния; P – среднее значение мощности.

Коэффициент формы резистора:

; (1)

где R – сопротивление резистора, - поверхностное сопротивление легированного слоя;

Полная относительная погрешность сопротивления:

(2)

где - относительная погрешность воспроизведения; относительная погрешность коэффициента формы резистора; температурный коэффициент сопротивления; - температурная погрешность сопротивления, - рабочий диапазон температур, допуск (разброс параметров).

Минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров:

(3)

где - абсолютная погрешность ширины резистивной полоски; - абсолютная погрешность длины резистивной полоски; - коэффициент формы резистора.

Минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой области рассеяния:

(4)

где P0 - максимально допустимая мощность рассеивания, P – среднее значение мощности.

За расчетную ширину резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: т.е.:

; (5)

Промежуточные значения ширины резистора:

-, (6)

где ∆трав – погрешность, вносимая за счёт растравливания окон в маскирующем окисле перед диффузией, ∆y – погрешность, вносимая за счёт ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел в боковую сторону.

Реальная ширина резистора на кристалле:

-; (7)

Расчётная длина резисторов:

- (8)

где k1 и k2 – поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных площадок и областей резистора, зависящий от конфигурации контактных областей резистора, Nизг – количество изгибов резистора на угол ;

Значение коэффициентов и обычно равно 2.

Промежуточное значение длины резистора:

(9)

Реальная длина резистора на кристалле:

(10)

[8. стр. 29-38]

Таблица 3.3.1 Результаты расчета интегральных ионно – легированных n- типа резисторов.

Параметр	Обозначение резисторов
Параметр	R1	R2	R3	R4
, Ом/	1000	1000	1000	1000
, мкм	5	5	5	5
,кОм	4.7	2.2	470	2.2
	210-3	210-3	210-3	210-3
	2.85	1.6	235.5	1.6
	4.7	2.2	470	2.2
	21.744	31.782	2.174	31.782
	0.01	0.01	0.01	0.01
, мкм	21.744	31.782	2.174	31.782
, мкм	20.504	30.542	46.26	30.542
, мкм	21	31	45	31
, мкм	22.24	32.24	46.24	32.24
, мкм	37.808	25.792	2.159104	25.792
,мкм	39.049	27.032	4333	27.032
Lтоп,мкм	40	28	4335	28
L, мкм	38.76	26.76	4334	26.76
	0.1	0.1	0.1	0.1
	0.1	0.1	0.1	0.1
,оС	185	185	185	185
/R	0.513	0.561	0.47	0.561

Из таблицы расчетов видно, что резистор R3 номиналом 470 кОм реализовать в интегральном исполнении невозможно, следовательно данный резистор вынесен за пределы кристалла. В микросхеме, как уже было сказано выше, под данный резистор предусмотрено два дополнительных вывода.

3.4 Расчёт параметров конденсаторов

Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит конденсаторов из-за их большой площади. Поэтому, если требуется емкость более 50 ...100 пФ, применяют внешние дискретные конденсаторы, для подключения которых в микросхемах предусматривают специальные выводы.

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обеднённые слои обратносмещённых p-n переходов или плёнка окисла кремния, нитрида кремния, роль обкладок – легированные полупроводниковые области или напыленные металлические плёнки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невысоки, а для получения больших ёмкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсаторы исключить. Учитывая большие величины емкостей проектируемых конденсаторов (1000, 330 пФ) выбираем в качестве конденсаторов МДП-конденсаторы.

У МДП-конденсаторов нижней обкладкой служит эмиттерный n+-слой, верхней – плёнка Al. Наиболее технологичным диэлектрическим материалом для конденсаторов является SiO2, наносимый термическим методом химического осаждения из газовой камеры. Толщина диэлектрика составляет 0.05…0.12мкм.

В качестве обкладок конденсаторов с указанным диэлектриком будем использовать алюминий. Такие обкладки обеспечивают высокую добротность конденсаторов.

Исходные данные:

С1 = 10 пФ ± 20%;

Uраб = 12 В.

Определим минимальную толщину диэлектрика:

dmin = Kз Uраб / Eпр (1)

где Кз – коэффициент запаса (Кз =3);

Uраб – рабочее напряжение конденсатора;

Eпр- электрическая прочность диэлектрика (Eпр=107 В/см);

Таким образом получим: мкм;

Ёмкость МДП-конденсатора определяется выражением:

С = 0.0885ε S / d (2)

где ε– относительная диэлектрическая проницаемость равная (Ф/м) (для SiO2 =4 ) ;

d- толщина диэлектрика;

S – площадь верхней обкладки конденсатора;

Площадь обкладок конденсатора определяется по формуле:

(3)

мм2;

где С0 – удельная емкость конденсатора. Для формирования диффузионных конденсаторов может быть использован любой из p-n переходов транзисторной структуры. В данном случае мы будем использовать диффузионный конденсатор на переходе база – коллектор. Исходными данными для данного перехода является С0=400 пф/мм.

S= 0,025мм2.

Размеры верхних обкладок конденсаторов (для квадратного конденсатора А=):

А=0,158мм=158 мкм.

Рис.3.4.1. Конструкция МДП-конденсатора.

[8, стр. 40-41]

4. Выбор и обоснование технологии изготовления микросхемы

Процесс изготовления современных полупроводникоых ИС весьма сложен. Он проводится только в специальных помещениях с микроклимитом на прецезионном оборудовании. В настоящее время для создания полупроводниковых ИС на биполярных транзисторах используется несколько разновидностей технологических процессов, отличающихся главным образом способами создания изоляции между отдельными элементами [1, стр.26]. Основные технологические операции изготовления полупроводниковых микросхем можно разделить на шесть этапов.

1.Подготовка слитков к резке на пластины. Первоначально выращивают слиток кремния, затем этот слиток готовят к резке на пластины – отрезают затравочную и хвостовую часть, а также удаляют части слитка с электрофизическими параметрами, не соответствующими установленным нормам или с недопустимыми требованиями. Калибровка выполняется шлифовкой по образующей поверхности слитка (круглое шлифование) шлифовальным кругом. После калибровки торцы слитка подшлифовывают так, чтобы они были строго перпендикулярны геометрической оси слитка, а для удаления механически нарушенного слоя и загрязнений слиток травят. Контроль кристаллографической ориентации торца слитка и базового среза выполняется рентгеновским или оптическим методами. Базовый и дополнительные срезы получают сошлифовыванием слитка по образующей алмазным кругом на плоско-шлифовальном станке. Для получения срезов слиток соответствующим образом закрепляют в специальном зажиме. После базового среза слиток разворачивают в зажиме, закрепляют и сошлифовывают вспомогательный срез. После шлифования срезов слиток травят.[9]

2.Резка слитков на пластины. Резка слитка является важной операцией в маршруте изготовления пластин, она обуславливает ориентацию поверхности, толщину, плоскостность и параллельность сторон, а также прогиб.

Основным методом резки кремниевых слитков на пластины является резка диском с внутренней режущей алмазосодержащей кромкой. Отрезаемые пластины в зависимости от устройства станков переносятся вакуумным съемником или остаются на оправке . Пластины после резки подвергаются очистке от клеющих, смазочных материалов, частиц пыли.

Преимущества резки диском с внутренней режущей кромкой: высокая скорость резания (до 40 мм/мин); хорошее качество обработки поверхности (8-ой класс шероховатости); малый разброс по толщине пластин (±20 мкм); небольшие отходы материала.

Недостатки резки диском с внутренней режущей кромкой: сложность установки алмазного диска , его натяжения и центровки, зависимость качества и точности обработки от точности и качества инструмента.

Этот метод в сравнении с другими методами обеспечивает лучшее качество пластин и большую производительность процесса.[9]

3.Шлифование пластин кремния. Под шлифованием понимают процесс обработки поверхностей заготовок на твердых дисках - шлифовальниках из чугуна, стали, латуни , стекла и других материалов с помощью инструментов – шлифовальников и абразивной суспензии (обработка свободным абразивом) или с помощью алмазных шлифовальных кругов (обработка связанным абразивом).

Процесс двустороннего шлифования свободным образивом выполняется на специальных станках. Перед шлифованием пластины сортируют по толщине. Контролируют неплоскостность рабочей поверхности шлифовальников, в случае необходимости выполняют правку – подшлифовку с кольцевыми притирами. Затем шлифовальники очищают от пыли и других загрязнений, промывают водой смазывают глицерином. На поверхность нижнего шлифовальника устанавливают зубчатые кольца сепараторы, которые должны иметь специальные допуски по толщине, а толщина должна быть несколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые поверхности укладывают в отверстия сепараторов.

При вращении верхний шлифовальник свободно устанавливается на поверхности пластин. Движение шлифовальника через цевочные колеса передается сепараторам. Пластины, увлекаемые сепараторами совершают сложные перемещения между шлифовальниками, чем достигается равномерность их обработки и износа шлифовальников.

Для двустороннего шлифования применяют водные и глицериновые суспензии микропорошков карбида кремния зеленого или электрокорунда белого с зернистостью от М14 до М5.

Этот метод более производителен, обеспечивает высокую точность обработки поверхности, не требует наклейки пластины.

4.Снятие фаски. Фаски с боковых поверхностей пластин можно снимать абразивной обработкой либо химическим травлением собранных в специальной кассете заготовок. Наиболее часто фаски снимают методом шлифовки профильным алмазным кругом на специальном станке.

5.Полирование пластин. Полировка обеспечивает минимизацию микронеровностей поверхности пластин и наименьшую толщину нарушенного слоя.Её производят на мягких доводочных полировальниках (круги обтянутые замшей, фетром, батистом, велюром) с помощью использования алмазной пасты, суспензии.

Полирование выполняют в несколько этапов, постепенно уменьшая размер зерна и твердость абразива, а на последнем этапе полностью исключают абразивное воздействие на обрабатываемый материал. Последний этап безабразивного воздействия позволяет полностью удалить механически нарушенный слой с поверхности пластины.

Существует несколько методов полирования:

Механическое (предварительное и промежуточное) полирование. Его выполняют алмазными суспензиями и пастами с размером зерна от 3 до 1 мкм. Механическое полирование по своей сущности не отличается от шлифования, отличие состоит лишь в применяемых абразивных материалах, их зернистости, материале полировальника и режиме обработки. При использовании для полирования алмазных суспензий и паст на поверхности пластин образуется тонкая сеть рисок (“алмазный фон”), возникающих под действием острых режущих граней алмазных зерен. С целью удаления “алмазного фона” и уменьшения шороховатости поверхности иногда выполняют механическое полирование более мягкими абразивными материалами.

Тонкое механическое полирование выполняется мягкими полировальными составами на основе оксидов алюминия, кремния, хрома, циркония и других размером зерна менее 1 мкм с помощью полировальников из ворсовых материалов, в которых могут утопиться субмикронные зерна порошка. Это уменьшает рабочую поверхность зерен и улучшает качество обработки поверхности пластин.

Химико-механическое полирование. Оно отличается тем, что кроме обычного абразивного воздействия поверхность подвергается химическому воздействию. Полирующие составы – суспензии, золи, гели из субмикронных порошков оксидов кремния (аэросил), циркония, алюминия – приготавливаются на основе щелочи.

Выберем механическое полирование, которое будет выполняться алмазной суспензией из порошка АСМ3, односторонняя, частота вращения полировальника не более 30…40 об/мин. При переходе на порошок АСМ1 частоту вращения полировальника снижаем, нагрузку на пластину увеличиваем. После полировки пластину надо тщательно промыть в мыльных растворах.[9]

6.Физическая очистка. Для последующих операций очень важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т.п. Процессы очистки пластин и подложек предназначены для удаления загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности. Наиболее важна очистка поверхности после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода покрытий, плёнок, слоёв.При очистке в первую очередь необходимо удалить молекулярные органические и химически связанные с поверхностью загрязнения, а затем – остаточные ионные и атомарные. При физической жидкостной очистке происходит десорбция адсорбированных поверхностью загрязнений без изменения их состава, т.е. без химических реакций, путем простого растворения. Поскольку возможно обратное загрязнение поверхности из очищаемой жидкости, необходимо следовать принципу ее непрерывного обновления (освежения).

Обезжиривание (отмывка) в органических растворителях (толуоле, четыреххлористом углероде, дихлорэтане, спиртах: этиловом, метиловом, изопропиловом и др.) применяется для удаления с поверхности пластин (подложек) жиров животного и растительного происхождения, минеральных масел, смазок, воска, парафина и других органических и механических соединений.

Обезжиривание погружением выполняют в специальных герметичных установках с двумя-четырьмя сваренными в единый блок ваннами с повышающимся уровнем жидкости. Контролируемыми параметрами процесса обезжиривания для данного количества пластин и данной порции конкретного растворителя и время обработки.

Обезжиривание в парах растворителя применяют для удаления малорастворимых с высокой температурой плавления загрязнений. Для обработки в парах применяют изопропиловый спирт, фреоны, хлорированные углеводороды. Недостатки данного метода: необходимость предварительной очистки растворителей; необходимость создания герметичных рабочих камер установок; большие расходы растворителя.

Ультразвуковое обезжиривание выполняют в специальных ваннах, дно и стенки которых совершают колебания с ультразвуковой частотой. Данный метод обеспечивает гораздо большую производительность, и улучшают качество не только обезжиривания, но и других операций жидкостной обработки.[9]

7.Отмывка водой применяется для очистки полярных растворителей после обезжиривания, от остатков травителей, флюсов, кислот, щелочей, солей и других соединений. Также как и в органических растворителях, отмывка в воде сопровождается растворением загрязнений или механическим смыванием пылинок ворсинок и других частиц. Отмывку выполняют в подогретой до 50 … 60 °С деионизованной воде.[7]

8.Химическая очистка. Этот вид обработки предусматривает разрушение загрязнений или поверхностного слоя очищаемого обьекта в результате химических реакций.

Хорошие результаты обеспечивает очитка кремния в растворе” Каро”. Именно этот метод будет использован в данном курсовом проекте – очистку смесью Каро с последующей более “мягкой”

очисткой в перекисно-аммиачном растворе. Классический состав смеси Каро для химической очистки поверхности кремния и оксида кремния, объёмное соотношение компонент находится в пределах

H2SO4 : H2O2 = 3:1 [9]

Химическая очистка в этой смеси проводится при Т = 90 –150оС. Смесь Каро позволяет очистить поверхность полупроводниковой пластины от органических загрязнений и, частично, от ионных и атомарных примесей. Кислота Каро устойчива в кислых средах и является очень сильным окислителем. Эта смесь способна очистить поверхность кремниевой пластины и от неметаллических загрязнений.

9.Эпитаксия. Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Монокристаллические подложки в процессе эпитаксиального наращивания выполняют ориентирующую роль заставки, на которой происходит кристаллизация. Основная особенность – слои и локальные области противоположного типа проводимости или с отличной от полупроводниковой пластины концентрацией примеси представляют собой новые образования над исходной поверхностью. В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси. Особенностью также является то, что появляется возможность получения высокоомных слоев полупроводника на низкоомных пластинах.[9]

При жидкофазовой эпитаксии атомы растущего слоя оседают на подложку из расплава или раствора, из которого необходимо вырастить соответствыущий слой. Второй вид эпитаксии – из парогазовой фазы – который и будет использоваться в данной технологии, основан на взаимодействии газа с пластиной. Здесь важными параметрами процесса является температуры газового потока и пластины. Можно использовать тетрахлорид кремния SiCl4 либо силан SiH4.

Хлоридный метод основан на использовании химического взаимодействия паров тетрахлорида кремния с чистым водородом при Т =1200оС:

SiCl4(газ) + 2H2(газ) = Si(тв) + 4HCl(газ)

Скорость роста эпитаксиального слоя может быть ограничена либо процессами массопереноса, т.е. количеством подводимых к поверхности подложек молекул реагентов или отводимых диффузией от подложки продуктов химических реакций, либо скоростями химических реакций. Основной недостаток – высокие температуры процесса, приводящие к диффузии примесей из пластин в растущий слой, а также автолегированию. Кроме того, обратимость реакции восстановления тетрахлорида требует высокой точности поддержания режима осаждения слоя.

Силановый метод основан на использовании необратимой реакции

термического разложения силана :

SiH4-------------→Si↓+2H2↑

Установка для выращивания слоев эпитаксиальных слоев силановым методом близка по устройству к установке, используемой в хлоридном методе, и для предосторожности при работе с моносиланом она снабжается системой для откачки воздуха и следов влаги. Совершенные монокристаллические слои получаются при температурах разложения моносилана 1000 … 1050 °С, что на 200 … 150°С ниже чем при восстановлении тетрахлорида кремния. Это уменьшает нежелательную диффузию и автолегирование, что позволяет изготовить эпитаксиальные структуры с более резкими границами переходов. Скорость роста слоев выше чем при восстановлении тетрахлорида кремния.

Недостаток этого метода – самовоспламеняемость и взрывоопасность моносилана, требующие специальных мер предосторожности. Токсичность силана.

В данном курсовом проекте будем использовать SiCl4. т.к. с этим газом удаётся выращивать монокристаллические слои кремния, сохраняющие кристаллическую ориентацию кремниевой подложки без поверхностных нарушений.

Процесс эпитаксиального наращивания будет происходить в эпитаксиальном реакторе.

10.Оксидирование. Оксидирование можно проводить несколькими способами, такими как анодное оксидирование, катодное напыление оксидного слоя, либо термическое оксидирование кремния. Термическое оксидирование, как и другие высокотемпературные процессы предъявляют жесткие требования к кремниевым исходным слиткам (нежелательно содержание в них кислорода и углерода), к качеству процессов изготовления и очистки пластин. Оксидирование кремния сопровождается: диффузией кислорода под слой диоксида кремния; обогащением поверхностного слоя толщиной 1…2 мкм кислородом выше предела растворимости за счет напряженного состояния решетки кремния; взаимодействием кислорода с дефектами исходной пластины и генерацией дополнительных дислокаций и дефектов упаковки. На дефектах быстро скапливаются примеси диффундирующих металлов натрия, меди, железа и др. Поскольку именно в этом тонком слое формируются элементы ИМС, все это приводит к деградации их электрических параметров. Концентрацию кислорода в при поверхностном слое кремния снижают при отжиге пластин кремния в атмосфере азота при 1000 … 1100 °С. Поиск путей совершенствования процесса термического оксидирования привел к появлению модификаций метода термического оксидирования кремния.

Нанесение плёнок SiO на пластины кремния термическим окислением кремния при атмосферном давлении в горизонтальных цилиндрических кварцевых реакторах – наиболее распространённый метод. Температура окисления лежит в интервале 800…1200оС и поддерживается с точностью ± 1оС для обеспечения однородности толщины плёнок. Будем производить комбинированное окисление как в сухом кислороде, т.к. в этом случае плёнки SiO2 получаются высокого качества, несмотря на то, что скорость окисления в этих условиях мала, так и во влажном кислороде (происходит всё с точностью до наоборот).

Основные реакции:

сухое оксидирование в атмосфере чистого кислорода:

Si(тв) → SiO2(тв)

влажное оксидирование в смеси кислорода с водяным паром:

Si(тв) + 2H2O → SiO2(тв) + H2

Скорость оксидирования определяется самым медленным этапом диффузионного проникновения окислителя сквозь растущую пленку к границе раздела SiO2→Si. Коэффициенты диффузии сильно зависят от температуры. При низких температурах коэффициенты диффузии, а следовательно, скорость роста пленки малы. Повысить скорость роста можно либо увеличением давления в реакционной камере установки, либо повышением температуры процесса.

11.Фотолитография. Суть процесса фотолитографии состоит в следующем. Чувствительные к свету фоторезисты наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения(экспонированию). Использование специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными полями (фотошаблона) приводит к локальному воздействию на фоторезист и, следовательно, к локальному изменению его свойств. При последующем воздействии определенных химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных и неосвещенных в зависимости от типа фоторезиста (проявления). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от механизма фотохимических процессов, протекающим под действием излучения, растворимость экспонированных участков может либо возрастать, либо падать. Соответственно, при этом фоторезисты является либо позитивными, либо негативными. Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении, пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, в то время как неосвещенные участки при проявлении растворяются.

Свойства фоторезистов определяются рядом параметров:

Чувствительность к излучению

В свою очередь, существуют некоторые критерии чувствительности: высокие защитные свойства локальных участков.

Разрешающая способность фоторезиста.

Кислостойкость (стойкость фоторезистов к воздействию агресивных травителей)

Технологический процесс фото литографии проводится в следующей последовательности:

Очистка поверхности подложки;

Нанесение фоторезиста (ФП-330) и распределение его по всей поверхности с помощью центрифугирования;

Сушка фоторезиста (15 мин при Т = 20оС).

Совмещение фотошаблона с подложкой:

Экспонирование – засветка через фотошаблон УФ-лучами, t = 1ч2с;

Проявление: химическая обработка в специальных проявителях;

Задубливание производят для окончательной полимеризации оставшегося фоторезиста: термообработка при Т = 120оС, t = 20мин;

Травление оксида кремния водным раствором плавиковой кислоты, лучше применяют буферные добавки солей плавиковой кислоты;

Удаление фоторезиста производится в щелочных средах.

Промывка пластины кремния в деионизованной воде с использованием УЗ и сушат при Т = 120оС.

Для изготовления фотошаблонов используется, в основном, два метода. Первый метод основан на сочетании оптических и прецизионных механических процессов. Суть метода состоит в механическом вырезании первичного оригинала (увеличенного в 200…500 раз рисунка), в последующем фотографическом уменьшении размеров рисунка и его мультиплицировании. Во втором методе – фотоноборе – весь топологический рисунок разделяется на прямоугольники различной площади и с различным отношением сторон в зависимости от формы составляющих его элементов. Эти прямоугольники последовательной фотопечатью наносятся на фотопластинку, где, в конечном счете, образуется промежуточный фотошаблон с десятикратным увеличением рисунка по сравнению с заданным.

В данном курсовом проекте будем использовать позитивный фоторезист, т.е. свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворённых (проявленных) участков, чем негативные, т.е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования. Фотошаблон будет представлять собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная плёнка Cr. Несколько капель раствора фоторезиста необходимо нанести

на окисленную поверхность кремниевой пластины, а потом с помощью центрифуги его распределить тонким (около 1мкм) слоем, высушить.

Существует контактная фотолитография, при которой фотошаблон плотно прилегает к поверхности подложки с нанесённым фоторезистом, и бесконтактная.

Бесконтактная фотолитография на микрозазоре основана на использовании эффекта двойного или множественного источника излучения. УФ-лучи подаются на фотошаблон под одинаковым углом, за счёт чего дифракционные явления сводятся к минимуму, и повышается точность передачи рисунка. Недостатком является очень сложное оборудование. Проекционная фотолитография основана на упрощённом процессе совмещения, т.к. с помощью специальных объективов изображение фотошаблона проектируется на пластину.

Удаление фоторезиста обычно производят в щелочных составах (NaOH). [10]

12.Легирование. Легирование – введение примесей в пластину или эпитаксиальную плёнку. При высокой температуре (около 1000оС) примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения. Легирование полупроводников бывает трёх видов:

Диффузионное легирование – основано на использовании известного явления диффузии, т.е. направленного перемещения частиц вещества в сторону убывания их концентрации. Движущей силой является градиент концентрации атомов или молекул вещества. При диффузии выпрямляющие или концентрационные контакты получают в исходной пластине, изменяя ее свойства легированием на необходимую глубину. Диффузионные слои имеют толщины от сотых долей микрометров. Отличительной особенностью является неравномерное распределение концентрации примеси по глубине : концентрация максимальна возле поверхности и убывает вглубь слоя. Концентрация и распределение примеси во многом определяются свойствами примеси, легируемого материала и источника примеси.

Ионное легирование – осуществляется ионизированными атомами примеси, имеющими энергию, достаточную для внедрения в полупроводник. Также необходим отжиг для устранения радиационных нарушений структуры полупроводника и для электрической активации донорных и акцепторных примесей. Основной особенностью является возможность воспроизводимого получения заданной концентрации примеси на данной глубине практически на любой площади пластины. Это обусловлено тем, что можно с большой точностью задавать ток ионного луча. Распределениями примесей можно легко управлять в широких пределах, изменяя дозу облучения, энергию и угол падения ионов. Ионы примеси получают в специальных источниках, ускоряют и фокусируют в электрическом поле. Пучок ионов бомбардирует подложку. Ионы примеси размещаются в кристаллической решётке. Характеристики ионнолегированных слоев получаются более воспроизводимыми, чем при диффузии.

Радиационно-стимулиронанная диффузия - основана на внедрении примеси в результате бомбардировки кристалла лёгкими ионами с энергией, достаточной для смещения атомов подложки. Облучение проводится в процессе термообработки (t = 600-700оС) или непосредственно перед ней.[7]

Для данного курсового проекта будет использована высокотермическая диффузия, т.к. недостатком ионной имплантации является нарушение структуры поверхностного слоя и увеличение дефектов, а также сложность технологического оборудования. Диффузия будет проводиться традиционным методом открытой трубы из газообразных источников (BBr3,PH3) и твёрдых источников (оксид сурьмы).

13.Металлизация. Все системы металлизации, применяемые в настоящее время, можно разделить на следующие типы: однослойная, многослойная, многоуровневая, объемная (объемные выводы).

Однослойная аллюминевая металлизация применяется преимущественно в ИМС малой степени интеграции, маломощных, работающих на частотах до 1 ГГц, не рассчитанные на высокие требования к надежности.

Многослойная металлизация в ряде случаев полнее отвечает предъявляемым требованиям, но менее технологична, т.к. содержит не один слой металла. Обычно состоит из нескольких слоев: контактный слой – первый по порядку нанесения на кремниевую пленку (вольфрам, молибден, хром, никель, алюминий, титан, палладий, силициды тугоплавких металлов); разделительный слой – применяется в случаях, когда сложно подобрать согласующиеся материалы контактного и проводящего слов; проводящий слой – последний по порядку нанесения слой металлизации, должен иметь хорошую электропроводность и обеспечивать качественное надежное подсоединение контактных площадок к выводам корпуса (медь, алюминий, золото)

Многоуровневая металлизация применяется в больших и сверхбольших ИМС. Увеличение числа элементов увеличивает и площадь межэлементных соединений, поэтому их размещают в несколько уровней.

В данном курсовом проекте будем проводить однослойная аллюминевую металлизацию.

14.Скрайбирование. Осуществлять скрайбирование необходимо алмазным резцом. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50…100мкм) и узких (до 25…40мкм) канавок. Достоинством этого скрайбирования является простота и низкая стоимость.

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования необходимо осуществлять механически, приложив к ней изгибающий момент. Эту операцию выполняется на сферической опоре.

Достоинством этого способа являются простота, высокая производительность (ломка занимает не более 1…1.5мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, так как кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) приведена ниже.

Рис. 1. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.

Опишем технологический процесс производства интегральной микросхемы генератора напряжения.

На первоначальном этапе происходит формирование слитков кремния и резка этих слитков алмазными дисками с внутренней режущей кромкой на пластины – базовые кристаллы, на которых будут сформированы в последствии элементы микросхем. Поверхность кристалла тщательно шлифуют для устранения поверхностных повреждений, полученных в результате резки. Производят полировку, причем разными материалами – алмазной суспензии, порошкообразными материалами. Затем производят очистку с целью удаления поверхностного слоя, в которых находятся поверхностные механические напряжения. Для этого над поверхностью пластины пропускают HCl при высокой температуре и обмывают кристалл деионизованной водой, растворами моющих порошков, проточной воде и, затем, сушат пластину до полного высыхания.

На следующем этапе производят окисление поверхности кристалла с целью образования двуокиси кремния с определенной толщиной.

Это делается для того, чтобы при проведении легирования, легированным оказался не весь кристалл, а только определенный участок.

Соответственным образом поверх слоя двуокиси кремния наносят слой фоторезиста, контактным (или другим способом) производят процесс фотолитографии. При этом используется фотошаблон (см. приложение). Открытые участки проявляют, задубливают и ликвидируют, и таким образом получают участок двуокиси кремния для последующего травления.

Образовавшиеся окна травят, в результате область подложки становится открытой для последующего легирования и образования скрытого n+ слоя. Слой фоторезиста ликвидируют. Поверхность оксида кремния тщательным образом очищают, омывают в проточной деионизованной воде и сушат центрифугированием. Таким образом, подложка становится полностью готовой для проведения операции легирования.

Для получения высоколегированного слоя n+ типа, производится высокотермическая диффузия сурьмой до предела ее растворимости. Таким образом, формируется скрытый n+ слой. Производится разгонка сурьмы в n+ кармане.

Слой двуокиси кремния стравливают в плавиковой кислоте, образуется открытая поверхность подложки с тремя участками высоколегированного слоя. Поверхность подложки тщательно очищают химическими методами и омывают в проточной деионизованной воде. После проведения этих операций, подложка становится готовой к проведению эпитаксиального наращивания кремния n-типа проводимости. Таким образом получают т.н. коллекторный слой, который присутствует в структурах активных элементов, и в этом же слое формируются резисторы среднего номинала (5кОм, 10 кОм), также этот слой присутствует в структуре МДП-конденсатора.

Далее производят разделительную диффузию с целью отделения одних элементов от других. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном (см. приложение), экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. После этого производят разделительную диффузию путем легирования бора в эпитаксиальный слой на поверхности подложки.

Для каждого элемента таким образом образовался свой эпитаксиальный слой. Далее производят диффузию фосфора в эпитаксиальный слой с целью создания базовой области. Для этого повторяют ранее описанные процессы: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование фосфором (см. приложение). Базовая область используется как база у активных элементов и в качестве резистивного слоя у резисторов.

Далее создаются области, которые у активных элементов используются как эмиттерная область, у резисторов она может отсутствовать. Перед этим производится совокупность ранее описанных процессов: нанесение слоя двуокиси кремния, нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя двуокиси кремния в окне фоторезиста. Затем производится легирование сурьмы (см. приложение) и ликвидация фоторезиста и слоя двуокиси кремния с последующей тщательной очисткой поверхности.

После этого кристалл готов к нанесению на его поверхность внешней изоляции и нанесения алюминиевых выводов на базовую, коллекторную имиттерную области кристалла. Для этого производят тщательную очистку поверхности кристалла и осаждают нитрид кремния. Затем производят нанесение фоторезиста, совмещение с фотошаблоном, экспонирование, проявление, удаление засвеченных участков фоторезиста, травления слоя нитрида кремния в окне фоторезиста и удаление фоторезиста со вcей поверхности нитрида кремния.

Затем на всю поверхность кристалла наносят сплав алюминия и кремния методом катодного распыления. Далее производят операцию фотолитографии и травление алюминия. Таким образом производится электрическое соединение элементов схемы в соответствии со схемой электрической принципиальной.

Вся поверхность кристалла подлежит тщательной очистке и сушке центрифугированием. Затем на поверхность кристалла наносится слой двуокиси кремния методом окисления моносилана. Производится изготовление окон в изоляционном слое для соединения токоведущих дорожек микросхемы с внешними выводами.

Разработка топологии кристалла

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС является электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно – технологические требования и ограничения.

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС(см.пункт 3); размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии; оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии (Приложение В). Целью создания топологии является минимизация площади кристалла ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней. Работы по созданию топологии ИМС сводятся к нахождению такого оптимального варианта взаимного расположения элементов и качества ИМС: Низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным. [11, стр. 47-48]

При проведении технологических операций приоритетом пользуются в первую очередь активные элементы, все расчеты пассивных элементов основаны на размерах областей активных элементов. Необходимо отметить, что все активные элементы (транзисторы, диоды) разработаны по одной и той же технологии, следовательно, их топологический вид совершенно идентичен, различны только размеры областей, образующих транзисторы и диод. Типичная конструкция маломощного биполярнрго транзистора показана на рис.

При размещении элементов данной биполярной полупроводниковой ИМС на кристалле необходимо учитывать следующие требования и ограничения:

Каждый элемент ИМС должен размещаться в отдельной изолированной области; в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.

Каждая изолированная область должна занимать как можно меньшую площадь.

Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены в одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу схемы.

Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.

Если в качестве диодов используются переходы эмиттер-база транзисторов, то все они могут быть помещены в общую изолированную область, при этом аноды диодов (базы транзисторов) с помощью внешней металлизации должны быть закорочены на изолированную (коллекторную) область.

Подложку p-типа следует соединить с источником отрицательной полярности.

Если в результате разработки топологии остались свободные участки площади, они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров элементов.

Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. наиболее оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними. Чертёж кристалла приведён в приложении Б. Элементы и соединения расположены с учётом конструктивно-технологических ограничений на минимально-допустимые размеры.

Пассивные элементы изготавливаются в едином технологическом цикле, что и активные элементы. Основными их недостатками является наличие паразитного транзисторного эффекта вследствие полевого эффекта и сильная температурная зависимость. Необходимо отметить, что большинство резисторов разрабатывались по одному и тому же внешнему виду - резисторы, резисторы R1,R2,R4 были реализованы в эпитаксиальном слое.

Необходимо также отметить, что в схеме генераторв напряжения имеется конденсатор. Форма обкладок конденсатора была выбрана квадратной, поэтому основной топологической характеристикой является длина стороны обкладки. Размер стороны одной обкладки конденсатора равен 158 мкм. Диэлектрик, который при этом использовался – двуокись кремния; материалом для обкладок служит алюминий.

6. Сборка ИМС

Под сборкой обычно подразумевают завершающий процесс соединения деталей и сборочных единиц (узлов), в результате, которого получается готовое изделие. Монтаж кристаллов на металлическое основание корпусов осуществляется пайкой с образованием золотой эвтектики. В стеклянных или пластмассовых корпусах, в которых отсутствуют металлические пластины в основаниях корпусов кристаллы приклепляют к несущей рамке легкоплавким стеклом в атмосфере энертного газа при температуре не более 250 ◦С. Затем производится монтаж выходных контактных площадок на внутренние выводы корпуса.

Для защиты элементов ИС от воздействия внешней окружающей среды ее кристалл должен быть герметизирован. Наиболее просто герметизация может быть создана путем покрытия ристала тонким слоем защитного лака или компаунда (конформное покрытие). Для защиты ИС применяются заливочные и покровные органические материалы, обладающие высокими электороизоляционными и влагозащитными свойствами, устойчивостью к воздействию низких и высоких температур, не влияющих на параметры схем, эластичные и ремонтоспособные.

Могут быть рекомендованы самовулканизирующиеся эластичные компаунды типа КЛ на основе низкомолекулярных кремний – органических каучуков СКТН и СКТН – 1, работающие в диапазоне температур – 60…+300◦С и в условиях повышенной влажности, а также компаунды - герметики типа ПЭК на основе эпоксидной смолы, модифицированной карбосилатным каучуком и полиэфиром. Эти компаунды отличаются прочностью, эластичностью, морозостойкостью и воздействию повышенной влажности. В качестве материалов для защиты от влаги используются лаки СБ-1с, УР-231, УР-930 и Э-4100, эпоксидно – крезольный лак ЭП – 096, кремний органические лаки К – 47 и К – 57. Для защиты поверхности кристаллов применяют компаунды типа МБК, виксинт, К – 18. Все перечисленные материалы обладают хорошими электроизоляционными свойствами.

Для надежной защиты от воздействия внешней среды при эксплуатации кристаллы или платы упаковываются в герметичные корпуса.

Корпус служит для защиты элементов ИС от влияния внешней среды, обеспечивает нормальную работу ИС в течении всего срока службы, надежное механическое и электрическое соединение платы или кристалла с другими элементами электронного блока. Корпус должен обеспечивать необходимую электрическую связь между элементами схемы и выводами. Должна гарантироваться электрическая изоляция между его выводами. Конструкция корпуса должна обеспечивать отвод тепла от кристалла. Корпус должен иметь удобную для печатного монтажа конструкцию по габаритам и расположению выводов.

Наибольшее распространение имеют четыре вида конструктивно – технологического исполнения корпусов. Металлостеклянный корпус имеет металлическую крышку и стеклянное (или металлическое) основание с изоляцией или пайкой. Металлокерамический корпус имеет металлическую крышку и керамическое основание, крышка соединяется с основанием заливкой влагостойким компаундом. Керамический корпус имеет керамическую крышку и основание, крышка соединяется с основанием пайкой. Пластмассовый корпус (наиболее дешевый) имеет пластмассовое тело, полученное путем опрессовки кристалла и рамки выводов [1, стр. 37-38].

В разрабатываемой конструкции будет применяться пластмассовый корпус с 5 выводами. Указания по монтажу кристалла и корпуса приведены на сборочном чертеже[11, стр. 159-160]. Для присоединения выводов к контактным площадкам кремниевых ИМС и внешним выводам корпуса прибора используется метод УЗ-сварки. Метод состоит в присоединении выводов в виде тонких металлических проволочек (диаметр 10…30мкм) к контактным площадкам при одновременном воздействии инструмента, совершающего высокочастотные колебания. Для изготовления проволоки применяются пластические металлы, обычно алюминий и золото. В качестве материала проволоки выбираем более дешевый алюминий. Достоинства такой сварки – соединение без применения флюса и припоев металлов в твёрдом состоянии при сравнительно низких температурах и малой их деформации 10…30% как на воздухе, так и в атмосфере защитного газа.

Так в микросхеме генератора напряжений используется пяти выводная микросхема в которой задействовано все пять выводов, два из которых используются как выводы для питания микросхемы (+ Еп; общяя шина питания), один – в качестве сигнального выхода (вывод 4), а также предусмотрены две контактные площадки для подключения выносного резистора R3 (выводы 2 и 3).

Элемент R3 невозможно реализовать в интегральном исполнении в связи со значительными габаритными размерами резистора. Данный вывод следует из соответствующих расчетов интегрального резистора.

Заключение

В результате выполнения курсового проекта было разработана конструкция и технология изготовления полупроводниковой микросхемы выполненной в интегральном исполнении. Был произведен расчет элементов схемы, предусматриваемой заданием курсового проекта, их анализ. Разработана топология кристалла приведенная в приложении. Кроме того, был сделан обоснованный выбор технологии изготовления микросхемы, на основании которого разработан технологический процесс. Комплект чертежей ИМС и сборочный чертёж микросхемы в корпусе также приведены в приложении.

Список использованных литературных источников

1. С.В. Якубовский, Н.А. Барканов, Л.И. Ниссельсон и др., “ Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. Справочное пособие”;Под ред. С.В. Якубовского. – 2 – е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1985. – 432 с., ил.(Проектирование РЭА на интегральных микросхемах).

2. У. Титце, К. Шенк “ Полупроводниковая схемотехника”. Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – с., ил

3. Б.И. Горошков “Радио - электронные устройства: Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 400с., ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1076).

4. А.А. Бокунян, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др., “Справочная книга радиолюбителя - конструктора ”.; Под ред. Н.И. Чистякова. – М.: Радио и связь, 1990. – 624 с.: ил. – (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1147)

5. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин “Материалы электронной техники”. – 2 – е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1986. – 367 с., ил.

6. Капельян С.Н., Малашонок В.А. Физика. Пособие для подготовки к централизованному тестированию.

7. Бондарь Б.Г. “Основы микроэлектроники”. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1987. – 309с.

8. Р.А. Бейлина, С.А. Тарасов, Т.В. Молодечкина Методические указания по курсовому проектированию по дисциплине “Конструирование и технология микросхем и микропроцессоров” для студентов специальности Т.08.01.00

9. Малышева И.А. Технология изготовления интегральных микросхем. Учебник для вузов.Москва “Радио и связь”1991.-344 с

10. Березин А.С. Мочалкина О.Р. Технология и конструирование интегральных микросхем. Учебное пособие для высших учебных заведений. Москва.1992.

11. Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И., Ильина Э.М., Патрик Н.И. “Конструирование и технология микросхем”.

12. Типовые компоненты и датчики контрольно – диагностических свойств: Учебно – методический комплекс для студентов специальности Т – 39.02.01. (Сост. Д.А. Довгяло – Новополоцк ПГУ, 2004 -384 с.).

13. Проектирование конструкций радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов/ Е.М.Парфенов, Э.Н. Камышняя, В.П. Усачев. – Радио и связь, 1989. – 272 с.: ил.

Приложение А

(Схема электрическая принципиальная)

Приложение Б

(Кристалл, топологические чертежи)

Приложение В

(Сборочный чертеж)

Слов:	48129
Символов:	293521
Размер:	573.28 Кб.

Название реферата: Разработка интегральных микросхем