Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции ИМС

Расстояния между изолирующей р-областью и элементами транзистора определяются также размером боковой диффузии. Они должны быть примерно равны толщине эпитаксиального слоя.

Две типичные конструкции  интегральных транзисторов показаны на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Конструкция биполярных интегральных транзисторов а) асимметричный б) симметричный

Для асимметричной конструкции характерно то, что коллекторный ток протекает к эмиттеру только в одном направлении. При симметричной конструкции коллекторный ток подходит к эмиттеру с трех сторон и сопротивление коллектора оказывается примерно втрое меньше, чем при асимметричной конструкции. Для симметричной конструкции транзистора облегчается разработка топологии металлической разводки, так как в ней часть .коллекторной области можно разместить под окислом, а поверх окисла над коллектором провести алюминиевую полоску к эмиттерной или базовой области. На рисунке 3.1 даны топологические размеры областей интегрального биполярного транзистора, типичные для ИМС средней степени интеграции.

Выбираем  изоляцию элементов обратно смещенным р-n переходом, диодную модификацию. Изоляция с помощью р-n переходов обеспечивает достаточно высокую степень интеграции элементов, сравнительно легко осуществляется технологически. Однако токи, протекающие через обратно смещенные изолирующие р-n переходы, емкости р-n переходов, создают паразитные связи между элементами по постоянному и переменному токам.

 

3.1.1 Расчет профиля распределения примеси в транзисторной структуре

Рисунок 3.3 – Результат программного расчёта транзистора

 

3.1.2 Расчет процесса диффузии акцепторов для создания базовой области транзистора

Рассчитываем коэффициент  диффузии бора:

                                               ,                                                          (3.1)

где: Da₀ - постоянная коэффициента диффузии бора, равная 11,5 см² /с;

       ΔЕ - энергия активации примеси, равная 5,92 • 10^-19 Дж;

        К - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10^-23 Дж/К;

       Т_а – температура диффузии акцепторов, равная 1300 К.

Рассчитываем время проведения процесса диффузии бора:

                                            ,                                                      (3.2)

где: х_э – толщина эмиттера, мкм;

        W_б – расстояние от эмиттера до коллектора, мкм;

        D_a – коэффициент диффузии акцепторов, м²/с;

        N_ап и N_дп – концентрации акцепторной и донорной примесей соответственно, см^-3.

Рассчитываем распределение примеси по формуле:

,                                          (3.3)

где: х_б - координата точки в которой рассчитывается концентрация примеси, мкм;

        N_ап– концентрации акцепторной примеси, см^-3;

        D_a – коэффициент диффузии акцепторов, м²/с; 

        t_a – время проведения диффузии бора, с.

Таблица 3.1 результат расчета профиля распределения примеси в базе

x	Nа(xэ)
0	1,00E+19
0,1	8,98E+18
0,2	6,49E+18
0,3	3,79E+18
0,4	1,78E+18
0,5	6,73E+17
0,6	2,05E+17
0,7	5,05E+16
0,8	1,00E+16
0,9	1,60E+15
1	2,05E+14
1,1	2,13E+13
1,2	1,78E+12
1,3	1,20E+11
1,4	6,49E+09
1,5	2,84E+08
1,6	1,00E+07

 

3.1.3 Расчет процесса диффузии доноров для создания эмиттерной области транзистора

Рассчитываем коэффициент  диффузии фосфора:

,                                                    (3.4)

где: D_д0 - постоянная коэффициента диффузии фосфора, равная 1400 см²/с;

       ΔЕ - энергия активации примеси, равная 7,04 • 10^-19 Дж;

        К - постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10^-23 Дж/К;

        Т_д – температура диффузии доноров, равная 1300 К.

 

Рассчитываем время проведения процесса диффузии фосфора:

,                                                   (3.5)

где: х_э – глубина залегания эмиттера, мкм;

        D_д – коэффициент диффузии донорной примеси, м²/с;

        N_дп и N_а(х_э) – концентрации носителей заряда в эмиттере и базе соответственно, см^-3.

     

Рассчитываем распределение  примеси по формуле:

,                                            (3.6)

где N_дп – концентрация донорной примеси в эмиттере, см^-3;

       х – координата  точки, в которой рассчитывается  концентрация примеси, мкм;

       D_д – коэффициент диффузии донорной примеси, м²/с;

       t_д – время диффузии донорной примеси, с.

 

N_д (0,1, 6839) = 5,1 · 10²⁰ см^-3

N_д (0,2, 6839) = 1,1 · 10²⁰ см^-3

N_д (0,3, 6839) = 2,0 · 10¹⁹ см^-3

N_д (0,4, 6839) = 1,1 · 10¹⁸ см^-3

 

Таблица 3.2 - Расчет концентраций примесей в базе и эмиттере по глубине

x	Nа(xэ)	Ndd
0	1,00E+19	1,00E+21
0,1	8,98E+18	7,05E+20
0,2	6,49E+18	2,75E+20
0,3	3,79E+18	6,16E+19
0,4	1,78E+18	7,84E+18
0,5	6,73E+17	5,61E+17
0,6	2,05E+17	2,24E+16
0,7	5,05E+16	5,01E+14
0,8	1,00E+16	6,25E+12
0,9	1,60E+15	4,35E+10
1	2,05E+14	1,69E+08
1,1	2,13E+13	0,00E+00
1,2	1,78E+12	0,00E+00
1,3	1,20E+11	0,00E+00
1,4	6,49E+09	0,00E+00
1,5	2,84E+08	0,00E+00
1,6	1,00E+07	0,00E+00

 

Рисунок 3.4 – Профиль распределения примесей в транзисторе

 

3.2. Проектирование резисторов

 

 

Резисторы ИМС формируют  в любом из диффузионных слоев  транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) или с помощью ионного легирования. Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.

Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением p_s. Значение р_s является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа п-р-п, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов даны на рисунке 3.10. Форму и размеры контактов к низкоомным резисторам выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен Ом до единиц кОм. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. высокоомные резисторы (до 20 кОм) имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупроводниковым материалом. более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы).

Рисунок 3.5 – Конструкция диффузионного транзистора на основе базовой области

Рисунок 3.6 - Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области

 

Длина однополоскового  диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1—5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии, и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного p-n-перехода). Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15 — 20% и зависит от ширины резистора. Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом], поскольку значение p_s эмиттерного слоя невелико.

Рисунок 3.7 – Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области

 

При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пннч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конфигурации. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значении толщины донной части р-слоя, У пинч-резистора п⁺- и р-слои закорочены металлизацией и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора.   

Рисунок 3.8 – Конструкция пинч-резистора

Рисунок 3.9 – Конструкция пинч-резисторов на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытий I и полузакрытый II варианты)

Рисунок 3.10 – Конфигурация диффузионных резисторов

Номинальные параметры  резисторов, имеющиеся в проектной  схеме приветны в таблице 1.

Таблица 3.1 - Параметры резисторов

Наименование	R, Ом	γr%	P, мВТ
Rб1	1000	10	1
Rб2	2000	10	1.5
Rэ	20	10	2
Rк	2300	10	1.75
Rф	10000	10	3

 

3.2.1 Поверхностное сопротивление базы, коллектора  и поверхностное сопротивление эмиттера принимаем в соответствии с полученными результатами программного расчета (см. рисунок 3.3)

3.2.2 Рассчитываем погрешность воспроизведения коэффициента формы: