Толщина эпитаксиальной пленки должна по возможности быть как можно меньше, но существует следующее ограничение:

,(1.1)

где

hэп-глубина залегания коллекторного перехода;

-глубина проникновения n+-области в эпитаксиальный слой при всех температурных режимах формирования структуры;

-ширина области пространственного заряда перехода коллектор-база при рабочем напряжении;

-все технологические погрешности.

Скрытый n+-слой изготавливается для того, чтобы обеспечить минимальное сопротивление тела коллектора. Исходя из этой задачи скрытый слой должен быть максимально легирован, но должна быть обеспечена невозможность смыкания этого слоя с базой при подаче на этот переход коллектор-база рабочего напряжения. При этом расползание слоя при дальнейших технологических операциях должно быть строго контролировано. Поверхностное сопротивление скрытого слоя обычно составляет RSСС = 6...8 Ом/квадрат, толщина hсс = 3...8 мкм, поверхностная концентрация легирующих примесей (часто это сурьма из-за невысокого коэффициента диффузии при высоких температурах) RSСС = 1018…1019 см-3.

Базовая область изготавливается методом диффузии, поэтому является неоднородно легированной. Степень легирования выбирается из следующих требований:

-для увеличения напряжения пробоя перехода эмиттер-база и эффективности эмиттера следует легировать базу как можно меньше;

-снижение уровня легирования увеличивает паразитное сопротивление базы и ухудшает частотные характеристики транзистора;

-если базу слабо легировать, так что поверхностная концентрация будет составлять NSб ≤ 5∙1016 см-3, то это может привести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистора из строя.

Поверхностная концентрация примесей составляют примерно NSб = 1016…1019 см-3. Толщина металлургической базы ω0 = 0,5…1,0 мкм, среднее удельное сопротивление базовой области ρб = 0,1…1,0 Ом∙см, поверхностное сопротивление пассивной базы RSбП = 100…200 Ом/квадрат, поверхностное сопротивление активной базы RSба = 5…20 кОм/квадрат.

Уровень легирования эмиттерной области долже быть как можно выше. Но если уровень легирования достигает NSЭ ≈ 1021 см -3, тогда уменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера. Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона NSЭ = 1019…5∙1020 см-3, поверхностное сопротивление составляет RSэ = 5…7 Ом/квадрат. Глубина залегания перехода эмиттер-база определяется, как:

,(1.2)

Глубина разделительной диффузии должна быть чуть больше толщины эпитаксиальной пленки, так чтобы обеспечивалось слитие этой области с подложкой. Уровень легирования этой области должен быть достаточно высок для эффективной изоляции p-n перехода на кристалле повышенной площади.

В полупроводниковых микросхемах в качестве межэлементных соединений применяются проводники из пленки алюминия. Для исключения пересечений проводников используется 3 основных метода: многослойная металлизация, прокладка шин металлизации над каналами резисторов, защищенными слоем SiO2 и проводящие диффузионные перемычки под слоем двуокиси кремния.

Минимальная ширина металлизированной дорожки (при заданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока. Толщина слоя Al шин металлизации составляет порядка 1,5 мкм и шина имеет удельное сопротивление слоя RS ≈ 0,05 Ом/квадрат Значение RS для пленки приблизительно в 2,5…3 раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления алюминия. Это связано с миграцией Al от коллекторных контактов выходных транзисторов, что повышает сопротивление тела коллектора, рост нитей Al, приводит к закорачиванию эмиттерных p-n переходов и другое.

Геометрические размеры контактных площадок определяются базовой технологией изготовления микросхем и составляют часто 100 × 100 мкм. Площадь контактных площадок должна обеспечивать хорошее соединение. Их целесообразно размещать под отдельными изолированными областями для уменьшения результирующей паразитной емкости и исключение опасности коротких замыканий при дефекте в окисле.

2 Проектирование и расчет геометрических размеров элементов ИМС

В данном разделе приведена методика расчетов геометрических размеров биполярных транзисторов и геометрических размеров резисторов.

2.1 Расчет биполярных интегральных транзисторов

В полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах основным является n-p-n транзистор. Все n-p-n транзисторы можно разделить на 2 группы:

а. Универсальные,

б. Специальные.

Универсальные в свою очередь делятся на: микро и маломощные (рассеиваемая мощность в диапазоне 0,3…3 мВт), транзисторы средней мощности (3…25мВт), мощные транзисторы (более 25мВт). Специальные делятся на: многоэмиттерный транзистор и p-n-p транзистор.

Выбор геометрических размеров транзисторов, количество эмиттеров, базовых и коллекторных контактов и их форма определяются требованиями к параметрам. Максимальная плотность эмиттерного тока, превышение которой приводит к уменьшению коэффициента усиления транзистора, ограничивает рабочий ток. Определение размеров эмиттерной области а, следовательно, и топологии транзистора проводится исходя из обеспечения максимального коэффициента усиления при рабочем токе эмиттера [2].

Расчет геометрических размеров эмиттерной области ведется следующим образом. Длина эмиттерной области рассчитывается по формуле

le = 3dmin + Δ,(2.1)

где

dmin-минимальный геометрический размер, обеспечиваемый используемым методом литографии.

Далее определяем максимальный удельный ток для произвольного случая по формуле

,(2.2)

где

Iemax-эмиттерный ток, превышение которого вызывает переход к высокому уровню инжекции;

β-максимальное значение коэффициента передачи тока;

.(2.3)

При ψ < 1 рабочей или “активной” является левая часть эмиттера, ближайшая к базовому контакту.

После определения геометрических размеров эмиттерной области транзистора необходимо определить полные геометрические размеры этого элемента. Для примера выберем одну из конфигураций транзистора (рис.2.1).

Найденные исходные данные le и be.

lb ≥ le + 4dmin + 2Δфш + Δсовм ,(2.4)

bb ≥ be + 2dmin + 2Δфш + Δсовм ,(2.5)

где

Δсовм–погрешность при совмещении фотошаблонов,

Δфш–погрешность при изготовлении фотошаблонов.

,(2.6)

,(2.7)

где

a-минимальное расстояние между краем разделительной диффузии и краем диффузии n+- слоя к коллектору.

,(2.8)

,(2.9)

.(2.10)

Рисунок 2.1 - Топологический чертеж маломощного n-p-n транзистора

Размеры коллектора определяются как

,(2.11)

.(2.12)

По такой же методике рассчитываются геометрические размеры таких элементов, как p-n-p транзисторы и диоды на основе какого-либо перехода транзистора.

Рассчитанные таким образом линейные размеры транзистора с конкретной конфигурацией является минимально возможным для данного типа технологии и должны быть учтены для конкретных параметров и конкретных областей применения транзистора.

2.2 Расчет геометрических размеров резисторов

Резисторы биполярных микросхем обычно изготавливаются на основе отдельных диффузионных слоев транзисторной структуры или из поликремния.

Исходными данными при проектировании резисторов являются: номинал – R, поверхностное сопротивление слоя, на котором он изготовляется – RS, мощность рассеяния – P; погрешность номинала – YR, температурный диапазон работы – ΔT, bmin, погрешности изготовления – ; удельная мощность рассеяния – P0 и т.д [3].

В диапазоне номиналов от 100 Ом до 50 кОм резисторы изготовляют на основе базового слоя микросхемы. Его обычные параметры:

Расчет начинаем с определения коэффициента формы:

.(2.13)

Если Кф > 1, то расчет начинаем с расчета b

Если Кф < 1, то расчет начинаем с расчета l

Если R = 50…1000 Ом, тогда резисторы делаются прямоугольной формы.Если R > 1…2 кОм, то рекомендуется изготавливать резистор сложной формы с любым числом изгибов и любой длиной прямоугольных участков.

,(2.14)

где

-минимальная ширина резистора, обеспечивающая необходимую рассеиваемую мощность;

-минимальная эффективная ширина резистора, обеспечивающая заданную точность изготовления.

,(2.15)

,(2.16)

,(2.17)

где

YКф-относительная погрешность изготовления резисторов;

YR-относительная погрешность номинала резистора;

YRs-относительная погрешность поверхностного сопротивления;

-относительная погрешность изменения номинала при изменении температуры.

Затем зная bрасч и Кф определяем lрасч,

lрасч = Кф∙bрасч.(2.18)

Рассчитав предварительную длину и ширину резистора необходимо проверить соотношения:

-для резистора прямоугольной формы

,(2.19)

где

k-коэффициент приконтактной области. (Определяется по таблицам, графикам и монограммам.)

-для резистора сложной формы

,(2.20)

где

n-число прямоугольных участков;

(n-1)-число изгибов;

0,55-коэффициент, учитывающий один изгиб.

При этом следует помнить, что bрасч это эффективная, а не топологическая ширина резистора.

,(2.21)

где

bрасч-топологическая ширина резистора (ширина на фотошаблоне);

-расползание диффузии в боковую область при диффузии.

.(2.22)

3 Разработка библиотеки элементов широкополосного усилителя

Принципиальная электрическая схема генератор представленная в приложении . Она состоит из 35 элементов, из них: 14 n-p-n транзистора, 8 p-n-p транзисторов, 6 резисторов и 7 планарных транзисторов с инжекционным питанием (И2Л – логика). Таким образом, для создания библиотеки элементов цифра – аналогового преобразователя необходимо рассчитать геометрические размеры 1 n-p-n транзистора, 1 p-n-p транзисторов и резистора.

3.1 Расчет геометрических размеров биполярного n-p-n транзистора

Расчет геометрических размеров n-p-n транзистора производится в соответствии с методикой приведенной в пункте 2.1., следовательно, все расчет производятся исходя из размеров области эмиттера. Расчет области эмиттера производим исходя из минимального геометрического размера достижимого используемым методом литографии (по технологическим нормам ОАО «Орбита» - dmin = 6 мкм, Δфш = 0,5, Δсовм. = 0,5), соотношение 2.1, и по максимальному эмиттерному току (соотношение 2.2). Но так как мы не имеем исходных данных для расчета по этим формулам то, размер эмиттерной области можно провести по эмпирической формуле, полученной опытным путем.

Страницы: 1, 2, 3