Разработка конструкции и технологии изготовления полупроводниковой микросхемы низкочастотного усилителя телефонного

 

Продолжение таблицы 3.1.2

- максимальное напряжение коллектор-база	39.67	В
- максимальное напряжение эмиттер-база	7.547	В
максимальное напряжение эмиттер- коллектор	86.192	В
-омическое сопротивление базы	10.82	Ом
- омическое сопротивление коллектор	82.135	Ом

 

Транзистор  р-n-p будем формировать на основе n-p-n транзистора.

Re = 3Δ=12(мкм);

Rk = 11Δ=44(мкм);

Ze=55(мкм);

Zk=Ze+6Δ=55+24=79(мкм).

 

3.2 Расчет резисторов

В схеме восемь резисторов номиналы, которых: R1=R2=510 Ом, R3=2.2 кОм, R4=10 кОм,   R5= R6=390 Ом, R7=R8=2.7 Ом. Резисторы R7 и R8 в эмиттерном,  резисторы R1, R2, R3, R5 и R6 в базовом слое, резистор R4 в эпитаксиальном.

 Рассчитаем параметры  для  данных резисторов.

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:

                                                               ;                                  (3.2.1)

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

                            Полная относительная погрешность сопротивления:

                                                    

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

 

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

 

                                                             (3.2.3)

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

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

Минимальная ширина резистора, определяемая из максимально  допустимой области рассеяния:

                                                                                  (3.2.4)

 

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

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

(мкм)

 

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

                                         

         ; (3.2.5)

Промежуточные значения ширины резистора:

                                                   -,  (3.2.6)

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

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

Реальная  ширина резистора на кристалле:

                                            (3.2.7)

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

Расчетная длина  резисторов:

                         -  (3.2.8)

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

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

 

Промежуточное значение длины резистора:

                              

(мкм);

(мкм);

 

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм);

(мкм) ;                                       

Реальная  длина резистора на кристалле:

                                                                        (3.2.9)

За топологическую длину резистора  L_топ  принимают ближайшее значение к L_пром значение длины, кратное шагу координатной сетки, принятому для чертежа топологии.

 

 

Таблица 3.2.1 - Результаты расчета интегральных резисторов

Oбозначение              Параметр	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8
,Ом	510	510	2200	10000	390	390	2.7	2.7
	1.10-3	1.10-3	1.10-3	1.10-3	1.10-3	1.10-3	1.10-3	1.10-3
	2,686	2.686	2,259	2.4	2.897	2.897	5.704	5.704
ρs, Ом/	175	175	175	2000	175	175	5	5
	2.914	2.914	12.571	5	2.229	2.229	0.54	0.54
	26.197	180.524	42.64	14.142	29.957	21.183	44.721	31.623
	6	3	6	3	6	3	6	3
	3	3	3	3	3	3	3	3
, мкм	77.52	54.206	16.06	75	68.194	50.366	33.588	23.868
, мкм	21.597	13.924	8.013	13.142	25.357	16.583	56.658	38.833
, мкм	22	14	10	14	26	18	58	40
, мкм	26.2	18.6	14.6	15	30.6	22.6	62.2	44.2
, мкм	23.1	18.4	27.15	27.28	18.4	41.36	11.81	56.8
,мкм	82.12	58.806	17.06	76	72.794	54.966	37.788	28.068
,мкм	84	60	18	76	74	56	68	30
L,мкм	79.4	55.4	17	75	69.4	51.4	33.8	25.8
, мкм	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06
, мкм	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06	0,06
,оС	80	80	80	80	80	80	80	80

3.3 Расчет параметров  конденсаторов

В интегральных полупроводниковых конденсаторах  роль диэлектрика могут выполнять  обедненные слои обратносмещенных p-n переходов или пленка окисла кремния, нитрида кремния, роль обкладок – легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невысоки, а для получения больших емкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой микросхемы стремятся конденсаторы исключить. Выбираем в качестве конденсаторов МДП-конденсаторы.

  У МДП-конденсаторов нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺-слой, верхней – пленка Al. Наиболее технологичным диэлектрическим материалом для конденсаторов является SiO₂.

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

        Исходные данные:

С1 =10 пФ ± 20%;

С2= 15 пФ ± 20%

С3= 10 пФ ± 20%

U_раб = +12 В.

Определим минимальную толщину диэлектрика:

d_min = K_з U_раб / E_пр                                               (3.4.1)

где  К_з – коэффициент запаса (К_з =3);

        U_раб – рабочее напряжение конденсатора;

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

Таким образом получим: См;

Емкость МДП-конденсатора определяется выражением:

С = 0.0885ε S / d                                                 (3.4.2)

где  ε– относительная  диэлектрическая проницаемость (для  SiO₂ e=4 ) ;

 d- толщина диэлектрика;

 S – площадь верхней обкладки конденсатора;

 

          Площадь обкладок конденсатора  определяется по формуле:

 

                                                                               (3.4.3)

 

  мкм²;

 мкм²;

 мкм²;

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Разработка топологии микросхемы

 

     Наиболее важный этап проектирования ИМС состоит в преобразовании ее электрической схемы в топологическую. На этой стадии определяются взаимные расположения элементов и соединения между ними. При разработке топологии необходимо стремиться к обеспечению максимальной плотности упаковки элементов при минимальном количестве пересечений межэлементных соединений  и минимальном паразитном взаимодействии между отдельными элементами. Эти требования в большинстве практических случаев являются противоречивыми, поэтому процесс разработки топологии должен осуществляться так, чтобы обеспечивалось оптимальное расположение элементов, при котором можно было бы уменьшить влияние паразитных эффектов, присущих тому или другому типу разрабатываемой ИМС. Отсюда следует, что одной из важнейших задач при конструировании ИМС является выбор критерия оптимальности размещения активных и пассивных элементов. При разработке топологии биполярных ИМС с однослойной металлизацией в настоящее время, как правило, придерживаются двух критериев:

 

а) сведения к минимуму суммарной длины металлизированных соединений между элементами;

б) сведения к минимуму количества пересечений металлизированных соединений.

 

     Разработку топологии биполярной  ИМС можно подразделить на  несколько этапов, основными из  которых являются:  получение  и детальный анализ исходных  данных, расчет конфигураций и  геометрических размеров активных  и пассивных элементов, разработка  эскизов топологии, разработка  предварительных вариантов топологии,  выбор окончательного варианта  топологии и его оптимизация.

     При проектировании топологии  следует учитывать, что этот  этап реализации ИМС носит  индивидуальный характер и в  значительной степени определяется  сложностью разрабатываемого изделия.  Однако во всех случаях необходимо  руководствоваться системой основных  правил.

Топологические  зазоры следует оптимизировать, так  как при неоправданно малых зазорах  может произойти перекрытие отдельных  областей, например области разделительной диффузии и базовой области транзистора, что, в конечном счете, приведет к  технологическому браку. При малых  размерах возрастают также паразитные взаимодействия между областями  отдельных элементов. В частности, может возникнуть паразитный транзистор со структурой  база-коллектор-область  разделительной диффузии. Коэффициент  усиления по току такого паразитного  латерального транзистора повышается по мере уменьшения зазора  между  базой  транзистора и подложкой. С другой стороны, завышение топологических зазоров приводит к увеличению площади, занимаемой ИМС.

 

Спроектированная  топология ИМС должна:

а) удовлетворять  всем электрическим и конструктивным требованиям;

б) удовлетворять  всем требованиям и ограничениям, налагаемым технологией изготовления;

в) обеспечивать возможность проверки  электрических  параметров любого  из реализуемых  элементов;

г) быть составлена с учетом  возможностей сокращения количества операций технологического процесса и снижения стоимости изготовления ИМС;

д) иметь по возможности максимальную плотность размещения элементов;

е) иметь  расположение элементов на кристалле, обеспечивающее нормальную работу ИМС.

 

Методика  разработки топологии

Исходным  данным для разработки топологии  микросхем является электрическая  схема, технические требования и  конструктивно-технологические ограничения. Полный цикл проектирования ИС состоит  из следующих этапов: синтез электрической  схемы; разработка конструкции; изготовление образцов; испытания; изготовления опытной  партии; контроль качества.

     При синтезе электрической схемы  разрабатывают функциональную схему,  выделяют основные структурные  единицы, выбирают элементную  базу, на основании которой составляют  принципиальные схемы функциональных  узлов. На всех этапах синтеза  электрической схемы учитывают  особенности конструктивно-технологической  реализации микросхемы. Особое внимание  уделяют выбору и разработке  элементной базы.

     Конструкцию микросхемы разрабатывают  на основании следующих исходных  данных: схема электрическая принципиальная, электрические параметры элементов(номинал, допуск, стабильность, мощность, допустимые значения паразитных емкостей и сопротивлении, ограничения по частоте и быстродействию и т.п.), конструктивные данные и ограничения (способ герметизации, или рекомендуемый тип корпуса, расположение некоторых элементов на поликристалле, обусловленное способностями функционирования устройств), технологические данные и ограничения (минимальные размеры элементов и окон в защитной маске, определяемые возможностями технологии, минимальная ширина проводников, расстояния между границами отдельных полупроводниковых областей).

     Технологические ограничения определяются  такими факторами, как горизонтальное  размытие диффузионных областей, расстравливание фоторезиста при фотолитографии, точность совмещения отдельных слоев, воспроизведение линейных размеров на фотошаблонах.

     При разработке конструкции микросхемы решают следующие вопросы: выбор конструкции и расчет геометрических размеров активных и пассивных элементов, размещение элементов на кристалле с учетом особенностей функционирования микросхемы и конструктивных ограничений, транспортировка межсоединений, разработка топологии кристаллов с учетом технологических ограничений, выбор необходимого корпуса, обеспечивающего нормальный тепловой режим элементов, оценка паразитных параметров конструкции, уточнение топологии с целью уменьшения площади кристалла или обеспечения менее жестких требовании к точности элементов, допустимого уровня паразитных связей, разработка конструкторской документации.

     На всех этапах проектирования  микросхемы принимают ЭВМ. При  размещении элементов и трассировки  межсоединений используют такие критерии оптимизации, как минимизация площади кристалла, числа пересечении, длин соединении и т.п.

     После разработки топологии моделируют  электрические процессы, происходящие  в схеме с учетом паразитных эффектов, обусловленных особенностями интеграции элементов в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла.