Рис. 6. Зависимость подвижности электронов от концентрации доноров в кремнии при
Рис. 7. Зависимость подвижности дырок от концентрации акцепторов в кремнии при
Из графика , тогда ,
3) Определим поверхностное сопротивление эмиттерной области:
;
Для диффузионных областей, где распределение примеси неравномерно по глубине, разность концентраций должна иметь смысл средней концентрации, нескомпенсированной примеси , найденной в пределах . , где – полная концентрация веденной примеси.
– средняя концентрация р - примеси до .
Находим также как и , только берем , , и .
Получим, что
.
По графику при , тогда .
Окончательно: ;
Топологический расчет транзистора
Цель топологического расчета – получение в плане минимально возможных размеров областей транзистора, которые зависят от мощности рассчитываемой транзистором и следующими топологическими ограничениями.
а) Минимальный размер элемента топологического рисунка аmin обусловленный разрешающей способностью процесса фотографии (4мкм).
б) Максимальное отклонение размера элемента рисунка ±∆1 = 0,5 мкм обусловлены погрешностями размеров элементов рисунков фотошаблона и погрешностями размеров на операциях экспонирования и травления.
в) Погрешностями смещения ±∆2 = ±2 мкм.
г) Боковая диффузия примеси под маскирующий окисел.
При высоких уровнях тока резко проявляется эффект оттеснения эмиттерного тока. Поэтому токонесущая способность транзистора определяется не площадью эмиттера, а периметром. Отсюда при проектировании эмиттера необходимо обеспечить максимальное отношение периметра к площади.
Рассчет эмиттерной области
Размер окна под эмиттерный контакт lЭКмин =аmin = 4мкм.
Примем lЭК = 10мкм
Размер проводника над эммитером:
Рис.8
lЭП ³ lЭК + 2 ∆2+2 ∆1 = 15 мкм.
При дальнейшем расчете необходимо учесть следующие требования:
а) Расчет вести на наиболее неблагодарное сочетание погрешностей;
б) Отсутствие перекрытия перехода кромкой проводника (уменьшение паразитной емкости);
в) Полное заполнение металлом окна под контакт;
г) Расстояние между боковыми переходами смежных областей равно диффузионной длине не основных носителей.
Рис.9
Учитывая условие б) имеем:
lЭ = lЭП +2∙∆l + 2 ∙∆2=15 + 1 + 4 = 20 мкм
Размер окна под диффузию эммитерной области:
lОЭ = lЭ – 2 ∙ Хпер(Э-Б)= 20 – 4 = 16 мкм.
Периметр эмиттерной области можно определить по формуле:
П = 6 ∙ JЭ1 = 2 ∙ l Э1 + 2 ∙ l Э2 (в мкм) (*)
Jэ – максимальный ток эмиттерной области, мА.
l Э1, l Э2 – длина и ширина эмиттерной области, мкм.
l Э1min =amin=2Xпер Э-Б=4+4=8 мкм
Примем l Э1 = 25 мкм;
Из формулы (*): мкм; при JЭ =20 мА.
Окончательно: l ЭП =15 мкм; lЭК = 10 мкм;
lОЭ = 16 мкм; lЭ=20 мкм;
Расчет размеров базовой области
Топологический расчет базовой области сводится к определению расстояния между переходами в месте расположения базового контакта dБ1
и расстояния dБ2 на участках, где нет контакта.
Размер окна под базовый контакт lБК≥ 2аmin.
Размер базового проводника
lБПмин = lБК + 2∙∆1 + 2∙∆2=8 +1 + 4 = 13 мкм.
Примем lБП=17,5
Учитывая требования б), размер между переходами Э-Б и Б-К, где есть базовый контакт:
dБ1= lБП+2∙∆1+2∙∆2+аmin= 17,5 + 1 + 4 + 4 = 26,5 мкм.
Рис.10
Размер между переходами Э-Б и Б-К со стороны, где нет базового контакта
Рис.11
При соблюдении требования г) {lПБ = 4 мкм.}
dБ2 = lПБ + ∆1 + ∆2 = 6.5 мкм. Примем dБ2 = 7 мкм.
Определим большую сторону базовой области:
lБ1 = lЭ + dБ1 + dБ2 = 25 + 26,5 + 7 = 58,5 мкм.
Определим размер меньшей стороны базовой области:
lБ2 = lЭ + 2 ∙ dб2= 25 + 14 = 39 мкм.
Размеры окна под диффузию базы:
lБО1 = lБ1 – 2∙Хпер.(Б-К) = 52,5 мкм.
lБО2 = lБ2 – 2∙Хпер.(Б-К) = 33 мкм.
Окончательно: lБК = 8 мкм; lБ2= 39 мкм. lБО1= 52,5 мкм.
lБП= 17,5 мкм. lБ1= 58,5 мкм. lБО2= 33 мкм.
Расчет размеров коллекторной области
Размер окна под коллекторный контакт примем:
lon+ = lКК = 2аmin = 8 мкм.
Тогда размер коллекторного проводника:
lКП = lКК + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2 = 13 мкм.
а размер между переходами К-П и Б-К в стороне контакта:
dК1 = lКП + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2 + аmin = 22 мкм.
Размер между переходами К-П и К-Б в стороне, где нет контакта, но есть n+-область:
ln+ = lоn+ +2 ∙ Хпер.(Б-Э)= 8 + 4 = 12 мкм.
dK2 = ln+ + 2 ∙ ∆1 + 2 ∙ ∆2= 12+ 1 + 4 = 17 мкм.
Рис.12
Размер большой стороны коллекторной области:
lK1 = lБ1 + dК2 + dК1=58,5 + 39 = 97,5 мкм.
lК2 = lБ2 + 2∙dК2= 67+ 39 = 106 мкм.
Размер окна под разделительную диффузию примем lор = аmin = 4 мкм.
Тогда размер между коллекторными областями в плане (ширина изолирующего канала):
B = lOP + 2∙Хпер(К-П)=4 + 2 ∙ 2 = 8 мкм.
Окончательно: lКК = 8 мкм lК2 = 97,5 мкм ln+ = 12 мкм lOP = 4 мкм
lКП= 13 мкм lК1= 106 мкм в = 8 мкм
Расчет геометрических размеров резисторов
Расчет геометрических размеров интегрального полупроводникового резистора начинают с определения его ширины. За расчетную ширину b резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из трех величин: bтехн, bточн, bр, т.е. , где bтехн - минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов (4 мкм); bточн - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; bр - минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.
Расчет геометрических размеров резистора R1-R3, R5, R6 (Б.О.):
где
Расчет геометрических размеров резистора R4(Б.О.):
Расчет геометрических размеров резистора R7-9(Б.О.):
Расчет геометрических размеров конденсаторов
Рис.13
Тип конденсаторов выберем на основе базово-коллекторного перехода, т.к. он обладает высокой добротностью, достаточным пробивным напряжением и средней удельной емкостью
Расчет топологии полупроводникового кристалла
1. Определим площадь, занимаемую элементами на кристалле. Площадь, занимаемая активными элементами:
,
где - площадь одного транзистора; n – число активных элементов.
2. Определим площадь под диоды:
где - площадь одного диода;
3. Определим площадь под резисторы:
где m – число резисторов.
3. Определим площадь под конденсаторы:
4. Площадь активной зоны: К – коэффициент запаса, зависит от плотности разводки металлизации.
Процесс сборки упрощается при квадратной форме кристалла:
Интегральная схема 13 выводов (контактных площадок). При термокомпрессии проводом 28 мкм ширина площадки будет равна , где D – диаметр проволоки; K – коэффициент, равный отсюда с запасом 100 мкм. Расстояние между центрами контактных площадок не менее 200 мкм. Линия скрайбирования для уменьшения вероятности скола взята шириной 100 мкм.
Примечания:
1. Проводники металлизации алюминием выполняются толщиной 1 мкм. Ширина проводника определяется из соотношения (находится в пределах 10:20 мкм).
2. Нумерация выводов на кристалле может начинаться с любого угла и должна идти по порядку (по часовой стрелке).
3. В случае пересечения – выполнять его над резистором, кроме проводников питания, которые над резистором выполнять не рекомендуется.
Пример выполнения пересечения над резистором:
Рис.14
Технологические процесс изготовления ИМС
А
005
Комплектование
Б
Комплектовочный стол
О
Формировать партию пластин.
Уложить в тару цеховую.
010
Гидромеханическая отмывка пластин
Ванна с раствором ситанола АЛМ-10
Операция выполняется в растворе ситанола АЛМ-10 в деионизированной воде с помощью щеток для удаления механических загрязнений и увеличения смачиваемости поверхности пластин.
015
Химическая обработка
Оборудование — линия “Лада-125”
Обработка пластин смесью Каро (H2SO4+H2O2) и перикисьно-амиачной смесью для удаления любых органических загрязнений с поверхности полупроводниковых пластин при температуре 90 ºС.
020
Сушка
Сушильный шкаф
Операция проводится сначала в парах этилового спирта, а затем в потоке горячего осушенного азота в центрифуге при частоте обращения 20000 оборотов в минуту.
025
Окисление
Диффузионная печь СДО-125/3-12
Окисление проводится в два этапа:
- газовая полировка(проводится в специальных печах);
устанавливается нужное распределение температуры и печи с потоком азота;
устанавливается поток газа-носителя (водород, 8 л/мин; печь с
внутренним диаметром трубы 35 мм), а поток азота перекрывается;
вносят лодочку с пластинами и выжидают 5 мин до установления теплового равновесия;
к газу-носителю добавляют требуемый поток хлористого водорода;
полируют в течение 10 мин (обычная продолжительность полировки);
прекращают поток НСl и вынимают пластины.
Скорость полировки зависит от температуры и концентрации хлористого водорода. Удельное сопротивление, тип проводимости и поверхностная обработка кремния не оказывают заметного влияния на скорость полировки.
Качество полировки связано с чистотой хлористого водорода. В выпускаемом промышленностью хлористом водороде иногда присутствует ацетилен; это нежелательно, поскольку приводит к образованию матовых поверхностей.
Нежелательным является также наличие двуокиси углерода и воды.
- Окисление
От газовой полировки можно переходить сразу к процессу
окисления простым изменением состава газового потока. При этом не
требуется вынимать пластины из печи. Для быстрого получения качественной плёнки, окисление производят сначала в сухом кислороде для формирования пленки, затем длительно окисляют во влажном кислороде и окончательной стадией является формовка окисла в сухом кислороде.
030
Первая фотолитография
Установка нанесения фоторезиста НВ-100, линия “Лада-125”
С использованием фотолитографии проводится легирование локальных областей подложки с целью создания скрытых слоёв
Нанесение фоторезиста дискретное.
Получение равномерного слоя фоторезиста на поверхности полупроводниковых пластин толщиной 1,1 мкм, с предварительной фильтрацией используемого фоторезиста ФП-383 на установке нанесения НВ-100.
Экспонирование ультрафиолетовым лучом контактное.
Операция переноса изображения с фотошаблона на полученный ранее слой фоторезиста.
Проявление и термообработка фотослоя.
Операция превращения засвеченных участков фотослоя в растворимую соль, с использованием 5%-го раствора гидроокиси калия в качестве проявителя. Последующая термообработка проводится в два этапа:
1-й этап: 30 минут при температуре 90ºС.
2-й этап: 60 минут при температуре 150ºС
Контроль горизонтальных размеров рисунка.
Удаление фоторезиста в смеси неорганических кислот.
Контроль фотолитографии.
Контроль ухода линейных размеров полученного рисунка по отношению к маске.
035
Диффузия бором, I стадия
При диффузии в качестве источника диффузанта используется ВВrз. Диффузия проводится в две стадии. Первый этап двухстадийной диффузии, для создания поверхностного слоя легирующей примеси повышенной концентрации – источника примеси для второго этапа. Проводится при температуре 960ºС в течение 40 мин.
040
Снятие боросиликатного стекла
Установка “08 ПХО 100Т-001”
С поверхности кремния удаляется боросиликатное стекло mВ2О3nSiO2. Для травления используется плавиковая кислота HF.
045
Диффузия бором, II стадия
Разгонка бора и формирование области скрытого слоя. Боковая диффузия составляет 5,2 мкм. Общее увеличение размера рисунка на пластине относительно фотошаблона ∆l=6 мкм. Для разгонки примеси пластины подвергают высокотемпературному нагреву, которым одновременно осуществляется и отжиг. Во время разгонки происходит окисление кремния.
050
Эпитаксия
Установка эпитаксиального наращивания для индивидуальной обработки подложек – ЕТМ 150/200-0,1
Наращивание на поверхность пластины эпитаксиальной плёнки n-типа толщиной 9 мкм.
055
Операция проводится в потоке хлороводорода для получения пленки двуокиси кремния на поверхности полупроводниковых пластин, которая будет использоваться в качестве маски в процессе диффузии. Толщина получаемого окисла 0,8 мкм.
На ней в процессе второй фотолитографии формируется защитная маска под локальную (разделительную) диффузию бора с целью создания изолирующих областей р-типа. Окисление проводится в потоке кислорода с изменением его влажности в три этапа: сухой — влажный — сухой.
060
Вторая фотолитография
Получение рисунка изолирующих областей.
Подготовка пластин к нанесению фоторезиста.
Обработка пластин в парах трихлорэтилена для улучшения адгезии маски к поверхности пластины, удаления жировых плёнок и других органических соединений.
065
Разделительная диффузия бором, I стадия
В качестве источника диффузанта используется ВВr3. Диффузия проводится в две стадии.
Первый этап двухстадийной диффузии предназначен для создания поверхностного слоя легирующей примеси повышенной концентрации – источника примеси для второго этапа. Проводится при температуре 940ºС в течение 35 мин.
070
075
Разделительная диффузия бором, II стадия
В процессе второй стадии диффузии, проводимой, в отличие от первой, в окислительной среде, создается новая пленка SiO2, выполняющая в дальнейшем не только маскирующие, но и защитные функции. После разделительной диффузии образуются диффузионные слои р-типа с сопротивлением 2 ... 12 Ом/□. Второй этап двухстадийной диффузии – перераспределение примеси на определенную глубину (формирование области разделения). Проводится при температуре 1050ºС с одновременным термическим оксидированием в течение 24 мин.
080
Третья фотолитография
Аналогично операции 060.
Используется набор фотошаблонов для получения рисунка базовых областей n-p-n транзисторов, конденсаторов и р-кармана для изготовления резисторов (без снятия ф/р). Увеличение размера на пластине относительно фотошаблона ∆l=0,6 мкм.
Травление двуокиси кремния.
Удаление пленки окисла из полученных окон для последующего процесса ионной имплантации примеси с помощью буферного травителя: HF : NH4F : H2O=1:3:7
085
Автомат химической обработки полупроводниковых пластин АФОП
Операция проводится кипячением в смеси NH4OH : H2О : H2О2 (1:1:1) и промывкой в деонизированной воде.
090
Аналогично операции 065.
Для создания транзисторной структуры в качестве источников диффузантов используются ВВг3 и РС13 (или РОС13). Диффузионный процесс получения базовой области проводится также в две стадии.
На первой стадии создается сильно легированный тонкий слой р+-типа с сопротивлением около 90 Ом/. Температура 800ºС, время 52 мин.
095
На этой стадии для удаления боросиликатного стекла используется химическое травление в растворе следующего состава: 10 частей HNO3, 15 частей HF и 300 частей Н2О. Этот раствор с высокой скоростью травит боросиликатное и фосфоросиликатное стекла, практически не разрушая SiO2.
100
Вторая стадия диффузии, в процессе которой толщина слоя увеличивается до 1,8... 2,2 мкм, а его удельное сопротивление (в результате перераспределения бора) повышается до 170... 330 Ом/. Поскольку вторая стадия проводится в окислительной среде, на поверхности кремния образуется пленка SiO2 толщиной около 0,4 мкм. Температура 1000ºС, время 255 мин.
105
Четвертая фотолитография
Используется набор фотошаблонов для получения рисунка эмиттерных областей транзисторов, а также областей n+ конденсаторов. На ее основе формируется маска для проведения локальной диффузии при создании эмиттерной области. Толщина диффузионного эмиттерного сдоя 1,0...1,4 мкм, удельное сопротивление слоя 3 ... 5 Ом/.
110
Операция проводится кипячением в смеси NH4OH : H2О : H2О2 (1:1:1) и промывкой в деионизированной воде.
115
Диффузия фосфором, I стадия
Для создания транзисторной структуры в качестве источников диффузантов используется РС13. Диффузионный процесс получения эммитерной области проводится также в две стадии.
Первый этап двустадийной диффузии для создания поверхностного слоя повышенной концентрации легирующей примеси – источника примеси для второго этапа. Проводится при температуре 1050ºС в течение 20 мин.
120
Диффузия фосфором, II стадия
Второй этап диффузии – «разгонка» фосфора. Проводится при температуре 1000ºС с одновременным термическим оксидированием в течение 22 мин.
125
Пятая фотолитография
Вскрытие контактных окон к соответствующим диффузионным областям.
Контроль ухода линейных размеров полученного рисунка по отношению к маске, произвести по виду А.
130
135
Напыление алюминия
Установка “Магна 2М”
Электрическая разводка создается напылением алюминия.
Проводится за счет приложения магнитного поля, с помощью Установки “Магна 2М”. Толщина слоя алюминия 1,2±0,1 мкм.
140
Шестая фотолитография
Фотолитография по пленке алюминия для создания рисунка разводки и контактных площадок.
Получение равномерного слоя фоторезиста на поверхности алюминия полупроводниковых пластин толщиной 1,1 мкм, с предварительной фильтрацией используемого фоторезиста ФП-383 на установке нанесения НВ-100.
Удаление фоторезиста в смеси органических кислот.
Травление алюминия.
Контроль ухода линейных размеров полученного рисунка по отношению к маске, произвести по виду Б.
145
Пассивация
Вертикальный реактор с инфракрасным нагревателем установки осаждения УО-15.
Осаждение низкотемпературной пленки двуокиси кремния на всю поверхность полупроводниковой пластины. Операция проводится в среде азота при температуре 475ºС для растворения тонкой пленки двуокиси кремния.
150
Седьмая фотолитография
Фотолитография по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам.
Травление пленки двуокиси кремния.
155
Контроль электрических параметров микросхемы.
Установки: система измерительная Н2001 (“Интеграл”); зонд измерительный ОМ6010;
Настроить зонд по расположению контактных площадок на кристалле.
Провести контроль токов I5=15 мА, I13 =10 мА и напряжений U5=4±0,5 B, U13=15±0,5 B на 5й и 13й контактных площадках соответственно.
В случае если параметры кристалла не соответствуют нормам, он закапывается специальными магнитными чернилами.
160
Скрайбирование
Установка скрайбирования «ЭМ-210», микроскоп «ММУ-3», полуавтомат «ПЛП-3».
Для разделения пластин на кристалы используется лазерное скрайбирование, для данного метода необходим твердотельный лазер (оптический квантовый генератор ОКГ) активный элемент которого, выполнен из алюминиевого граната с примесью неодима (АИГ:Nd), а длина волны составляет 1,06 мкм.
На пластины наносят на центрифуге защитное покрытие для предохранения структур от повреждения.
Пластины закрепляют вакуумным прижимом на столе установке
Проводят скрайбирование, Скорость скрайбирования в
пределах от 100 до 200 мм /сек. Скрайбирование целесообразно производить на установке ЭМ-210, позволяющей скрайбировать пластины диаметром 100 мм и толщиной 460 мкм за 3 прохода при скорости скрайбирования 120 мм/сек и глубине 100 мкм /проход
Контроль качества скрайбирования производится при помощи микроскопа ММУ-3.
Осуществляют разламывание пластин на кристаллы, на полуавтомате ПЛП-3. При этом необходимо соблюдать следующие режимы: сила нажатия на пластины должна быть в пределах от 100 до 1500 Н, а скорость движения ленты с пластиной порядка 40 мм/сек.
165
Контроль
Микроскоп «ММУ-3»
Контроль кристаллов производится при помощи микроскопа ММУ-3.
Кристаллы, закапанные магнитными чернилами удалить.
170
Сборка
Установка термокомпрессионной сварки «ЭМ-439М»
Кристалл крепить к ситалловой подложке клеем ВК-32-200.
Положку с кристаллом крепить к выводной рамке клеем ВК-32-200.
Разваривать выводы кристалла с помощью алюминиевой проволоки к выводной рамке методом термокомпресии.
175
Маркировка
Маркировочный стол
Маркировать серийный номер микросхемы краской
Биполярные микросхемы с изоляцией р-п переходом
Структура биполярного транзистора микросхемы рассмотрена на рис.15. Схема технологического процесса представлена в графической части (лист – 3).
Рис.15. Упрощенная структура кристалла
Заключение
В данной работе произведен анализ функционирования ИМС, рассчитаны элементы схемы и разработаны топология кристалла и конструкция микросхемы, что позволяет изготовить рабочие фотошаблоны.
Разработан технологический процесс изготовления кристалла. При разработке технологического процесса большое внимание обращалось на безопасность труда и уменьшение влияния техпроцессов на окружающую среду.
Список литературы
Коледов Л.А. - Конструирование и технология микросхем.М.: Высшая школа, 1984.
А.В. Нефедов, В.И. Гордеева – Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналогии, М.: Радио и связь, 1990.
Пономарев М.Ф. « Конструкция и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА» М: Радио и связь, 1982г.
Агахонян Г.М. « Интегральные микросхемы » М: Энергоатомиздат, 1983г.
Коледов Л.А. «Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок» М: Радио и связь, 1989г.
Страницы: 1, 2
