Микроэлектроника и функциональная электроника

в результате которой чистый кремний в виде твердого осадка достраивает решетку подложки, а летучее соединение удаляется из камеры.

Процесс эпитаксиального наращивания проводится в специальных ус­тановках, рабочим объемом в которых является кварцевая труба, а в каче­стве газа-носителя используются водород и азот. Водород перед поступле­нием в рабочий объем многократно очищается от кислорода, паров воды и других примесей. При установившейся рабочей температуре в поток газа носителя добавляется хлористый водород и производится предварительное травление подложки. После этого вводятся в поток газа SiCl4 и соответствующие легирующие примеси.

7 - окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии;

8 - фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

9 - проведение разделительной диффузии и создание изолированных кар­манов;

Разделительная диффузия проводится в две стадии: первая (загонка) -при температуре 1100-1150 °С, вторая (разгонка) - при температуре 1200-1250 °С. В качестве диффузанта используется бор. Разделительная диффузия осуществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кремния формируются отдельные области полупроводника разделенные р-n переходами. В каждой изолированной области в результате по­следующих технологических операций формируется интегральный элемент.

10 -окисление;

11 - фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

12 - формирование базового слоя диффузией примеси р-типа.

Для проведения базовой диффузии процессы очистки поверхности, окисления и фотолитографии повторяются, после чего проводится двухста­дийная диффузия бора: первая при температуре 950-1000 °С, вторая при температуре 1150-1200 °С.

13 -окисление;

14 - фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

15 - формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа;

Эмиттерные области формируются после четвертой фотолитографии Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 °С. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов и нижние обкладки МДП-конденсаторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор.

16 – фотолитография для вскрытия окон для травления окисла под МДП-конденсаторы.

Данный этап необходим для создания тонкого окисла между верхней и нижней обкладками конденсатора. Он получается травлением пассивирующего слоя до нужной толщины.

17 – формирование тонкого окисла в местах создания МДП-конденсаторов.

18 - фотолитография для вскрытия контактных окон;

19 - напыление пленки алюминия.

Соединения элементов ИМС создаются металлизацией. На поверхность ИМС методом термического испарения в вакууме наносится слой алюминия толщиной около 1 мкм. После фотолитографии на поверхности ИМС остаются металлические соединения, соответствующие рисунку схемы. После фотолитографии металл обжигается в среде азота при температуре около 500°С.

20 - фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя за­щитного диэлектрика.

21 – фотолитография для вскрытия окон контактных площадок для последующего приваривания проводников.

4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора.

Исходные данные для расчета.

Максимальное напряжение на коллекторном переходе: Uкб = 1,5 В

Максимальный ток эмиттера: Іэ = 4,5 мА

Граничная частота fт = 500 МГц.

Дальнейший расчет проводится с помощью программы расчета параметров биполярных транзисторов, результаты расчета, представленные ниже, были получены с помощью данной программы.

Расчет выполняется в следующей последовательности.

1. По заданному максимально допустимому напряжению Uкб определяют пробивное напряжение Uкб0 , которое должно быть хотя бы на 20% больше Uкб и учитывает возможные колебания напряжения питания, т.е. Uкб0=1,2 Uкб, в нашем случае Uкб0=1,8 В. Пробивное напряжение Uпр коллекторного перехода выбираем с коэффициентом запаса 3, это учитывает возможность пробоя по поверхности и на закруглениях коллекторного перехода. В нашем случае Uпр = 5,4 В.

По графику зависимости Uпр (Nдк) [1] , где Nдк – концентрация доноров в коллекторе, находят Nдк . В программе расчета значение концентрации находится численными методами. В нашем случае Nдк = 5·1017 см-3. Данное значение слишком велико, т.к при таком значении возможно появление паразитного n-канала, поэтому уменьшим его до 1016 см-3.

По графику зависимости подвижности электронов от их концентрации [1] находят подвижность электронов. В нашем случае mn = 1200 см2/(В·с).

2. Определяют характеристическую длину распределения акцепторов Lа и доноров Lд:

где хjк – глубина коллекторного перехода. В нашем случае La = 0,374 мкм; Lд = 0,0748 мкм.

3. Для расчета ширины ОПЗ (области пространственного заряда) на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

где fт – тепловой потенциал, равный 0,0258 В при Т=300 К.; ni – концентрация собственных носителей заряда в кремнии (ni » 1010 см-3). В нашем случае fк = 0,6771 В.

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе fэ рассчитывается аналогично fк. В нашем случае fэ = 0,1809 В.

4. Рассчитывают ширину ОПЗ, распространяющуюся в сторону базы (Dхкб) и в сторону коллектора (Dхкк) при максимальном смещении коллекторного перехода Uкб :

где , e0, eн – соответственно диэлектрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки.

В нашем случае Dхкб = 0,387 мкм, Dхкк = 0,6656 мкм.

5. Выбираем ширину технологической базы равной 1 мкм.

6. Определяем концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе:

В нашем случае Na(xjэ) = 1,338·1017 см-3.

7. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближенно можно считать, что Dхэб » Dхэ, где

В нашем случае Dхэ = 0,08858 мкм.

8. Расчитываем ширину активной базы:

В нашем случае Wба = 0,4944 мкм.

Дальнейший расчет транзистора включает вычисление площади эмиттерного перехода,

9. Расчет минимальной площади эмиттерного перехода осуществляется на основе критической плотности тока через эмиттерный переход.

где =const для Si (107 cм/с)

В нашем случае jкр = 2811 А/см2.

В нашем случае Sе = 160,1 мкм2.

10. Определим емкость коллекторного перехода на основе граничной частоты транзистора.

Из заданной частоты ft, найдем емкость коллекторного перехода Ск

В нашем случае Ск = 0,5 пФ

11. Найдем площадь коллекторного перехода как сумму площадей его донной и боковой частей. Причем донная часть площади составляет приблизительно 80% от общей его площади.

Рассчитаем площадь донной части коллекторного перехода:

где Vk=Vkp

В нашем случае Sб дон = 2734 мкм2.

Исходя из полученного значения площади найдем площадь боковой части

коллекторного перехода:

в нашем случае Sб.бок = 719 мкм2

5. Последовательность расчета параметров интегральных резисторов.

Параметры, которые определяют сопротивление интегрального резистора, можно разделить на две группы:

1) параметры полупроводникового слоя:

толщина W;

характер распределения примеси по глубине N(x);

зависимость подвижности носителей заряда от концентрации m(N);

2)топологические параметры :

длина резистора l;

ширина резистора b.

Первая группа параметров оптимизируется для получения наилучших результатов интегральных транзисторов. Именно для этого расчет транзисторов производится в первую очередь. Таким образом, задача расчета резистора сводится к выбору полупроводникового слоя, в котором будет создаваться резистор, и формы контактов и вычисления длины и ширины.

Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно равна 15-20% и зависит от ширины резистора. Так, при возрастании ширины от 7 до 25 мкм точность воспроизведения номинала возрастает с ±15 до ±18%.

5.1 Диффузионные резисторы на основе базовой области.

Резисторы данного типа приобрели наибольшее распространение, так как при их использовании достигается объединение высокого удельного сопротивления, что необходимо для уменьшения площади, которую занимает резистор, и сравнительно небольшого температурного коэффициента ТКR       ( ±(0,5…3)·10-3 1/°С ).

5.2. Исходные данные для расчета топологических параметров полупроводниковых резисторов.

Для расчета длины и ширины резисторов необходимы следующие входные данные:

1) номинальные значения сопротивлений R, заданные в принципиальной схеме.

R1- R4 – 4700 Ом;

R5 – 3300 Ом.

2) допустимая погрешность D R.

Исходя из технологических возможностей оборудования выберем DR = 20%

3) рабочий диапазон температур (Tmin , Tmax).

Исходя из предположения, что разрабатываемая ИМС будет предназначена для эксплуатации в климатических условиях, характерных для широты Украины, выберем диапазон температур, определяемый климатическим исполнением УХЛ 3.0 (аппаратура, предназначенная для эксплуатации в умеренном и холодном климате, в закрытых помещениях без искусственно регулируемых климатических условий). Исходя из этого:

Tmin = -60 °С;

Tmax = +40 °С.

4) средняя мощность Р, которая рассеивается на резисторах.

Мощность, рассеиваемая на резисторах, будет расчитана на основе измерянных ранее токов через резисторы, используя закон Ома.

1	2	3	4	5