Введение 1. Описание схемы для разработки 2. Определение электрических параметров схемы 3. Технологические этапы изготовления ИМС 4. Последовательность расчета параметров биполярного транзистора 5. Последовательность расчета параметров интегральных резисторов 6. Последовательность расчета параметров МДП – конденсатора 7. Особенности топологии разрабатываемой ИМС Выводы Литература Введение Интегральная электроника на сегодняшний день является одной из наиболее бурно развивающихся отраслей современной промышленности. Одной из составных частей данной науки является схемотехническая микроэлектроника. На каждом новом этапе развития технологии производства интегральных микросхем (ИМС) создаются принципиально новые методы изготовления структур ИМС, отражающие последние достижения науки В настоящее время наибольшее внимание в микроэлектронике уделяется созданию СБИС – сверхбольших интегральных схем – интегральных структур с очень большой степенью интеграции элементов, что позволяет не только значительно уменьшить площадь подложки ИМС, а следовательно, габаритные размеры и потребляемую мощность, но также и значительно расширить перечень функций, которые данная СБИС способна выполнять. В частности, использование СБИС в вычислительной технике позволило создание высокопроизводительных микропроцессоров электронно-вычислительных машин, а также встраиваемых однокристальных микроконтроллеров, объединяющих на одном кристалле несколько взаимосвязанных узлов вычислительного комплекса Переход к использованию СБИС сопряжен со значительным увеличением числа элементов ИМС на одной подложке, а также с существенным уменьшением геометрических размеров элементов ИМС. В настоящее время технология позволяет изготовление отдельных элементов ИМС с геометрическими размерами порядка 0,15-0,18 мкм Быстрое развитие мироэлектроники как одной из самых обширных областей промышленности обусловлено следующими факторами: 1) Надежность - комплексное свойство, которое в зависимости от назначения изделия и условий его эксплуатации может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как изделий в целом так и его частей. Надежность работы ИМС обусловлена монолитностью их структуры, а также защищенностью интегральных структур от внешних воздействий с помощью герметичных корпусов, в которых, как правило, выпускаются серийные ИМС 2) Снижение габаритов и массы. Значительное уменьшение массы и размеров конкретных радиоэлектронных приборов без потери качества работы также является одним из решающих факторов при выборе ИМС при разработке различных приборов и узлов радиоэлектронной аппаратуры 1. Описание схемы для разработки Данная схема представляет собой цифровую схему логики 4ИЛИ-НЕ на биполярных транзисторах. Питание схемы стандартное, 5В. Схема состоит из четырех идентичных каскадов, состоящих из биполярного транзистора, резистора и конденсатора. Логика данного логического элемента – насыщенного типа, т.е. транзисторы в каскадах при работе схемы работают либо в режиме отсечки (на входе – "0", на выходе – "1", транзистор закрыт) либо в режиме насыщения (на входе – "1", на выходе – "0", транзистор открыт) Назначение пассивных элементов в цепи базы транзисторов следующее: 1) Резистор – предназначен для выравнивания входных характеристик всех каскадов логического элемента. Включение резистора в цепь базы необходимо ввиду большой погрешности параметров, в частности, сопротивления базы при изготовлении интегральной структуры транзистора, что является неприемлемым, так как не обеспечивает требуемой стабильности и воспроизводимости параметров схемы 2) Конденсатор – применяется для увеличения быстродействия каскада. Это достигается благодаря свойству конденсатора проводить сигналы высших гармоник. При подаче на вход схемы уровня логической единицы в момент перехода из ноля в единицу входной сигнал содержит много гармоник высших порядков, которые безпрепятственно проходят через конденсатор, открывая транзистор. При установлении на входе стабильного напряжения гармоники высших порядков пропадают и транзистор стабильно работает в режиме насыщения Ввиду наличия в схеме транзисторов, резисторов и конденсаторов, данный тип логики получил название резисторно-емкостной транзисторной логики (РЕТЛ) Ввиду того, что все четыре каскада рассматриваемой схемы являются абсолютно идентичными, работа остальных каскадов не рассматривается 2. Определение электрических параметров элементов схемы Значения токов и напряжений на элементах схемы определяется с помощью программы Electronics Workbench (версия 5.12, разработчик – Interactive Image Technologies LTD) Для последующего расчета топологических параметров разрабатываемой интегральной схемы необходимо определить следующие параметры: максимальный ток через резисторы I R . Данный параметр необходим для расчета мощности, выделяющейся на резисторах, необходимой для последующих расчетов; для транзисторов – максимальный ток на коллекторном переходе, максимальный ток эмиттера,максимальное напряжение на переходе коллектор-база U КБ Электрические параметры конденсаторов, необходимые для расчета их топологических параметров, приведены в задании к данной работе и не подлежат определению Значения параметров, указанных выше, приведены в табл. 2.1 Табл. 2.1. Электрические параметры элементов интегральной схемы Параметр I R1-4 , мА I R5 , мА U КБ , В I Э , мА
Значение 0,26 4,94 1,5 4,5
Примечание. Данные значения токов и напряжений были измеряны при подаче на логические входы схемы минимально допустимого напряжения логической единицы (1,9 В), и/или максимально допустимого напряжения логического нуля (0,7 В) 3. Технологические этапы изготовления ИМС При производстве различных ИМС в текущий момент используется планарная технология, обеспечивающая воспроизводимые параметры интегральных элементов и групповые методы их производства Локальные технологические обработки участков монокристалла кремния обеспечиваются благодаря применению свободных и контактных масок. В планарной технологии многократно повторяются однотипные операции для создания различных по структуре ИМС. Основными технологическими операциями при изготовлении ИМС являются: подготовка полупроводниковой подложки; окисление; фотолитография; диффузия; эпитаксия; ионное легирование, металлизация Элементы биполярных интегральных структур создаются в едином технологическом цикле на общей полупроводниковой подложке. Каждый элемент схемы формируется в отдельной изолированной области, а соединения между элементами выполняются путем металлизации на поверхности пассивированной схемы. Изоляция между элементами схемы осуществляется двумя способами: обратносмещенными р - n переходами и диэлектриком Изоляция обратно смещенным переходом реализуется следующими технологическими методами: разделительной, коллекторной изолирующей диффузией; базовой изолирующей диффузией; методом трех фотошаблонов, изоляцией n- полостью Для изоляции элементов ИМС диэлектриком используют слой SiO 2 , и Si 3 Н 4 , ситалл, стекло, керамику, воздушный зазор 3.1. Последовательность операций планарно - эпитаксиальной технологии производства ИМС 1 - механическая обработка поверхности рабочей стороны кремниевой пластины р -типа до 14-го класса чистоты и травление в парах НСl для удаления нарушенного слоя. Подложки кремния шлифуют до заданной толщины, затем полируют (обычно до 14 класса точности) , подвергают травлению и промывают. Эпитаксиальные структуры не требуют дополнительной механической обработки, а лишь подвергаются травлению и промывке перед процессами создания схем 2 - окисление для создания защитной маски при диффузии примеси n типа. На поверхности кремния выращивается плотная пленка двуокиси кремния, которая имеет близкий к кремнию коэффициент теплового расширения, что позволяет использовать ее как надежное защитное покрытие, а также изолятор отдельных компонентов ИМС, маску при проведении локальной диффузии и как активную часть прибора в МДП- структурах Термическое окисление поверхностей кремния является наиболее технологичным методом получения пленок SiO 2 . В этом случае качестве окисляющей среды используются сухой или увлажненный кислород либо пары воды. При окислении температура рабочей зоны поддерживается на уровне 1100-1300°С. Окисление проводится методом открытой трубы в потоке окислителя. В сухом кислороде выращивается наиболее совершенный по структуре окисный слой, но процесс окисления при этом проходит медленно (Т=1200 °С), толщина d слоя SiO 2 составляет 0,1 мкм). На практике окисление проводят в три стадии: в сухом кислороде, влажном кислороде и снова в сухом. Для стабилизации свойств защитных окисных слоев в процессе окисления в среду влажного кислорода или паров воды добавляют борную кислоту, двуокись титана и др 3 - фотолитография для вскрытия окон в окисле и проведения локальной диффузии в местах формирования скрытых слоев
