Курсовая работа

Расчёт интегральной микросхемы

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и выбор конструкции

2. Разработка коммутационной схемы

3. Расчет параметров элементов

4. Тепловой расчет микросхемы в корпусе

5. Расчет паразитных емкостей

6. Расчет параметров надежности ИМС

7. Разработка технологии изготовления микросхем

Заключение

Литература

Приложение

Введение

Создание микроэлектронной аппаратуры явилось результатом процесса комплексной микроминиатюризации электронно-вычислительных средств, аппаратуры связи, устройств автоматики. Этот процесс возник в связи с потребностями развития промышленного выпуска изделий электронной техники на основе необходимости резкого увеличения масштабов их производства, уменьшения их массы, занимаемых ими объемов, повышения их эксплуатационной надежности.

Интегральная микросхема (ИМС) – это конструктивно законченное изделие электронной техники, выполняющее определенную функцию преобразования информации и содержащее совокупность электрически связанных между собой электрорадиоэлементов (ЭРЭ), изготовленных в едином технологическом цикле.

По способу изготовления различают полупроводниковые и пленочные ИМС. В полупроводниковых ИМС все ЭРЭ и часть межсоединений сформированы в приповерхностном слое полупроводниковой (обычно кремниевой) подложки. В пленочных ИМС пассивные ЭРЭ изготовлены в виде совокупности тонких (менее 1мкм) или толстых (10-50мкм) пленок, нанесенных на диэлектрическую подложку. Гибридные ИМС (ГИС) представляют собой комбинацию пленочных пассивных ЭРЭ с миниатюрными бескорпусными дискретными активными приборами (полупроводниковыми ИМС, транзисторами, диодами), расположенных на общей диэлектрической подложке.

Актуальность производства и проектирования интегральных схем обусловлена следующими достоинствами:

- высокой надежностью вследствие уменьшения количества паянных и других соединений, которые имеют высокую интенсивность отказов, по сравнению с РЭС на дискретных элементах;

- малыми габаритами и весом, что повышает надежность РЭС, так как при малых габаритах и весе больше резонансные частоты и аппаратура становиться более устойчивой к механическим воздействиям;

- низким энергопотреблением, что объясняется малым расстоянием между элементами в микросхеме (большая плотность упаковки), что приводит к меньшим затуханиям и искажениям полезного сигнала, вследствие чего возможно снижение питающих напряжений в интегральной схеме по сравнению со схемами на дискретных элементах;

- сокращением длительности процессов проектирования и производства РЭС на основе интегральных схем;

- повышением ремонтопригодности, так как становится проще отыскать и устранить неисправность.

Задачами данного курсового проекта являются: выбор конструкции ИМС (полупроводниковая или гибридная), расчет элементов(резисторов, конденсаторов, транзисторов и т.д) и разработка топологии, а также тепловой расчет, расчет надежности и паразитных связей и разработка технологии изготовления ИМС.

1. Анализ исходных данных и обоснование выбора конструкции

Сначала анализируем электрическую принципиальную схему. Схема является аналоговой.

Исходя из этого ее можно выполнять как в виде полупроводниковой ИМС, так и в виде гибридной ИМС.

Далее анализируем перечень элементов. Резисторы имеют номинальные сопротивления в приделах от 1,2 кОм до 9 кОм и номинальные мощности рассеивания ниже 5 мВт, а конденсатор имеет номинальную емкость 20-30 пФ, что позволяет их выполнить как в виде ГИС, так и в виде полупроводниковой ИМС. Погрешности электрических параметров резисторов и конденсатора выше 15%, что также не накладывает ограничения в выборе конструктивно-технологического варианта микросхемы. Ввиду того, что схема содержит большое количество транзисторов, следует склониться к выбору биполярной полупроводниковой ИМС.

С целью снижения себестоимости ИМС необходимо их выпускать большими партиями, что обусловлено меньшими затратами на амортизацию с основных средств на единицу конструкции. В связи с вышеизложенным полупроводниковые ИМС экономически целесообразны только при массовом или крупносерийном характере производства.

2. Разработка коммутационной схемы

Разработка коммутационной схемы – это первый этап разработки топологии. На этом этапе путем анализа электрической принципиальной схемы оценивается возможность реализации изделия в виде полупроводниковой интегральной схемы. При составлении коммутационной схемы, представленной на рисунке 2.1, за основу была принята схема электрическая принципиальная усилителя . Далее преобразуем ее с учетом конструктивных особенностей элементов схемы в полупроводниковом исполнении. В частности сформируем схему так, чтобы в ней отсутствовали пересечения проводников. В процессе выполнения разработки коммутационной схемы было принято решение разместить внешние контактные площадки на противоположных сторонах платы, что облегчит осуществление операции соединения внешних контактных площадок с выводами корпуса.

3. Расчеты элементов ИМС

Расчет биполярного транзистора с применением ЭВМ

По литературному источнику [1] определяем основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор (КТ319В).

Таблица 2.1

Основные электрические параметры и эксплуатационные данные на заданный транзистор

Используя ЭВМ и данные, полученные из справочной литературы, определяем нужные нам характеристики интегрального биполярного транзистора.

Исходные и корректируемые данные:

1.Значение тока коллектора =15 мА.

2.Напряжение коллектор-эмиттер =5В.

3.Длина эмиттера =0,005см.

4.Ширина эмиттера =0,005см.

5.Глубина области (эмиттер) =0,85*10^-4 см.

6. Глубина области (активная база) =3*10^-4 см.

7.Толщина эпитаксиальной пленки =10*10^-4 см.

8.Концентрация донорной примеси на поверхности эмиттера = 3*10²¹ .

9. Концентрация акцепторной примеси на поверхности базы = 5*10¹⁷ .

10. = 5*10¹⁵ .

11.Температура окружающей среды 300 К.

Результаты расчета на ЭВМ:

1.Статический коэффициент передачи тока =46,7 .

2.Граничная частота усиления =107МГц.

3.Поверхностное сопротивление эмиттера =0,573 .

4.Поверхностное сопротивление коллектора =569 .

5.Поверхностное сопротивление пассивной базы =284 .

6.Поверхностное сопротивление активной базы =480 .

7.Сопротивление базы =28,5 Ом.

8.Сопротивление коллектора =60 Ом.

9.Пробивное напряжение перехода эмиттер-база =6,78 В.

10.Пробивное напряжение перехода коллектор-база =116 В.

11. =32 В.

12.Емкость перехода база-эмиттер =15 пФ.

13.Емкость перехода база-коллектор =0,26 пФ.

14.Время заряда емкости эмиттерного p-n перехода = с.

15.Время переноса носителей через активную базу транзистора = с.

16.Время пролета носителей заряда через ОПЗ коллекторного перехода = с.

17.Время заряда емкости коллекторного p-n перехода = с.

18.Удельная емкость = .

19. Удельная емкость = .

Остальные элементы (резисторы, конденсаторы) выполняются на основе областей биполярного транзистора. Выполним соответствующие расчеты.

Расчет резисторов

Исходными данными для расчета геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются: заданное в принципиальной электрической схеме номинальное значение сопротивления R и допуск на него , поверхностное сопротивление легированного слоя , на основе которого формируется резистор, среднее значение мощности

P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния ( =8 для диффузионных и имплантированных резисторов [2]), основные технологические и конструктивные ограничения.

R1=3 кОм 15%

Так как данный резистор имеет сопротивление не более 10 кОм и не менее 1 кОм, то в качестве конструкции используем диффузионные резисторы на основе базовой области ( =480 ). Конфигурация данного резистора изображена на рисунке 3.1.

Рис.3.1. Конфигурация диффузионных резисторов R 1

Минимальную ширину резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность, определяют из выражения:

0,331, (2.1)

где Db и Dl - погрешности ширины и длины, обусловленные технологическими процессами. Для типовых процессов (Dl=Db=0.1 мкм).

0,35, (2.2)

где - погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, для типовых процессов его выбирают в пределах 0,05¸0,1.

Теперь найдем минимальную ширину резистора , определяемую из максимально допустимой мощности рассеяния

. (2.3)

=7,3 мкм.

Для составления чертежа топологии необходимо выбрать шаг координатной сетки. Выбираем 1:500. Затем определяют промежуточное значение ширины резистора:

, (2.4)

где - погрешность растравливания окон ( =0,2¸0,5 мкм);

- погрешность ухода диффузионного слоя под маскирующий окисел ( » 60% базового и 80% эмиттерного слоёв).

_пром =7,3-2×(0,5+1,8)=2,7 мкм

Реальная ширина резистора на кристалле:

(2.5)

где _топ – топологическая ширина резистора.

Отсюда =9,6.

Расчётную длину резистора определяют по формуле:

(2.6)

где n₁ – число контактных площадок резистора (n=2);

k₁ – поправочный коэффициент, определяемый по номограмме (k₁ =0,5).

Тогда имеем

=50,4 мкм.

Затем рассчитывают промежуточное значение длины:

(2.7)

Реальная длина резистора на кристалле:

(2.8)

Аналогично рассчитываем резисторы R2, R3, R4, R6. Полученные данные заносим в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Расчет конденсатора

Выбор конструкции конденсатора определяется значениями допустимого рабочего напряжения и номинальной емкости . Напряжение ограничено величиной напряжения пробоя p-n-перехода. Напряжения пробоя p-n-перехода коллектор – база и эмиттер – база рассчитывались ранее при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: =116 В, =6,78 В. И то и другое пробивное напряжение обеспечивает заданное . Удельную емкость p-n-перехода коллектор – база и эмиттер – база при нулевом смещении на нем ( =0В, =0В) также рассчитывались при проектировании биполярного транзистора и имеют следующие значения: =9,69*10^-9 Ф/см² , =1.06*10^-7 Ф/см² . Таким образом целесообразно выбрать удельную емкость, которая в наилучшей степени обеспечивает площадь конденсатора, соизмеримую с площадью, занимаемой транзистором, то есть выбираем конденсаторы на основе p-n-перехода эмиттер – база.

Расчет удельной емкости боковой части p-n-перехода эмиттер – база затруднен, поэтому ее величина может быть принята равной . Удельная емкость боковой части p-n-перехода коллектор – база практически равна ее донной части .С целью минимизации размеров кристалла полупроводниковой ИМС принимаем топологию конденсатора квадратной формы со стороной А. Величина А для конденсатора на основе p-n-перехода эмиттер – база определяется из уравнения:

,

где = - удельная емкость донной части p-n перехода эмиттер-база;

= 1000 - удельная емкость боковой части p-n перехода эмиттер-база;

- глубина эмиттера;

– номинальная емкость заданного i-го конденсатора.

Таким образом, решая данное уравнение относительно А, получим размеры конденсаторов:

А=135 мкм – для конденсаторов С1 и С3.

А=158 мкм – для конденсатора С2. с целью уменьшения топологических размеров конденсатора используем параллельное включение двух p-n-переходов, осуществляемое с помощью металлических проводников. Таким образом имеем:

А=111мкм.

Выбор структуры диодов ИМС

Данные диоды (КД901А) имеют следующие исходные данные:

Диоды, сформированные на основе перехода эмиттер – база, характеризуются наимеьшими значениями обратного тока за счет самой малой площади и самой узкой области объемого заряда ( ). Наименьшей паразитной емкостью ( ) также обладают диодные структуры на основе перехода эмиттер – база. Для других структур значение паразитной емкости порядка 3пФ. Быстродействие характеризуется также временем восстановления обратного сопротивления. Оно минимально (около 10нс) для перехода эмиттер – база при условии, что переход коллектор – база закорочен. В других структурах время восстановления обратного сопротивления составляет 50-100нс. Из анализа исходных данных и способа применения диодов в цифровых схемах как накопительных, можно заключить, что целесообразнее выбрать диоды на основе перехода эмиттер – база.

4. Тепловой расчет микросхемы в корпусе

Так как ИС герметизируется путем запрессовки в пластмассовый корпус типа 2, то тепловое сопротивление конструкции определяется

, (4.1)

где , - толщина слоя пластмассы (компаунда, =1,7мм) и ее теплопроводность

( );

- внутреннее тепловое сопротивление кристалла, которое определяется по формуле

, (4.2)

где , - толщина подложки pSi ( =200мкм) и ее теплопроводность

( );

Температура кристалла рассчитывается по формуле

, (4.3)

где - температура окружающей среды( =40 );

- площадь кристалла;

- суммарная мощность элементов.

Тогда

.

.

Так как рабочая температура не превышает допустимую 85 , то никаких конструктивных мер принимать не следует.

5. Расчет паразитных связей

Определим паразитную емкость в участке, где она наибольшая. Для трех проводников их будет две. Обозначим их как С12 и С13. Частичные емкости между проводниками, параллельно расположенными на подложке и находящимися в окружении других проводников, вычисляют по следующей формуле

, (5.1)

где i,j – номера проводников;

l – длина проводников;

- расчетная диэлектрическая проницаемость( = 2=6 при 2 1), где 1, 2 – диэлектрические проницаемости соответственно окружающей среды и двуокиси кремния;

- емкостный коэффициент i-ого и j-ого проводников, который рассчитывается для данного случая по следующим формулам

, (5.2)

, (5.3)

где смысл параметров ясен из рисунка 4.1.

= см; = см; = см; = см; = см; l=см.

,

,

пФ ,

пФ.

Так как значения паразитных емкостей незначительны, то никаких мер принимать не следует.

6. Оценка надежности ИМС

В данном случае интенсивность отказов полупроводниковой ИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено по экспоненциальному закону, определяется выражением

(6.1)

где m – число групп элементов;

- число элементов данного типа;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры окружающей среды и электрической нагрузки;

- поправочный коэффициент, учитывающий влияние механического воздействия, влажности и изменение атмосферного давления; ; =1,07 для полевых условий эксплуатации, =2,5 при влажности 90% и температуре 40 , =1 для высоты уровня моря;

- интенсивность отказов элементов, металлизации, кристалла и конструкции.

Значения интенсивностей отказов определим по следующим формулам

, (6.2)

, (6.3)

, (6.4)

где - интенсивность отказов из-за дефектов, обусловленных диффузией ( = );

- интенсивность отказов из-за дефектов металлизации ( = );

- интенсивность отказов из-за дефектов оксида ( = );

- интенсивность отказов из-за дефектов от посторонних включений в корпусе ( = );

- интенсивность отказов из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла ( = );

- интенсивность отказов из-за некачественного крепления кристалла ( = );

- интенсивность отказов из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения ( = );

- интенсивность отказов из-за повреждения корпуса(для пластмассового корпуса = );

, , - интенсивности отказов элементов, металлизации, и кристалла соответственно;

- число стадий диффузии при формировании элемента (для транзистора – 4, для резистора – 2, для конденсатора – 3);

, , - площади элементов, металлизации, и кристалла соответственно(площадь одного транзистора составляет – 0,015 , конденсатора – 0,058 , суммарная площадь металлизации – 0,32 , площадь кристалла – 1,15).

К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, значения интенсивностей отказов которых были рассмотрены ранее.

2,675*(12*1,1*( *4+ *0,015)+1,7*( *2+ *0,073)+ 1,7*( *2+ *0,012)+1,7*( *2+ *0,003)+ 1,7*( *2+ *0,01)+1,7*( *2+ *0,009)+1,2*( *2+ *0,058)+1,3( + + )*0,32+ *1,15+ + + =

Вероятность безотказной работы для времени t=10000ч определим по формуле

. (6.5)

7. Технология изготовления микросхемы

1.Химическая обработка пластин, двухстадийная в перикисно-аммиачном растворе.

2.Окисление кремния во влажном кислороде при 1000 в течении 2ч до получения окисла толщиной (0,6 0,06)мкм.

3.Фотолитография для образования окон под - скрытый слой. Применять фоторезист ФН 102. Нанесение фоторезиста и сушку осуществлять на агрегате формирования фоторезистивных покрытий АФФ 2. Сушку проводить в течении 15 мин. Экспанирование проводить в установке экспанирования ЭМ-569. Время экспанирования 40 сек. Проявление проводить в течении 20сек и температурой растворителя 50 . После проявки сушку проводить в два этапа: 30 мин при температуре 90 и 40 мин при температуре 200 . Для травления слоя расположенного под фоторезистивной маской использовать травитель следующего состава: HF: =2:7:1.

4.Химическая обработка пластин в перикисно-аммиачном растворе.

5.Диффузия сурьмы для формирования - скрытого слоя в две стадии: загонка при 1000 в течение 20мин, обработка осажденного сурьмяно-силикатного стекла во влажном кислороде при 1000 , снятие стекла и окисла в растворе HF, вторая стадия разгонка при 1200 в течение 2 часов.

6.Снятие окисла в растворе :HF: =7:1:3.

7.Химическая обработка пластин в перикисно-аммиачном растворе.

8.Эпитаксиальное наращивание монокристаллического слоя кремния n-типа из газовой смеси + при 1200 , толщиной (7 0,1) мкм, с плотностью дефектов не более , легированного мышьяком.

9.Окисление поверхности эпитаксиального слоя при 1000 в течение 40 мин в сухом кислороде для получения окисла толщиной (60 10) нм.

10.Фотолитография для вскрытия окон под разделительную (изолирующую) диффузию и окон под диффузионные резисторы на основе коллекторной области. Применять фоторезист ФН 102. Нанесение фоторезиста и сушку осуществлять на агрегате формирования фоторезистивных покрытий АФФ 2. Сушку проводить в течении 15 мин. Экспанирование проводить в установке экспанирования ЭМ-569. Время экспанирования 40 сек. Проявление проводить в течении 20сек и температурой растворителя 50 . После проявки сушку проводить в два этапа: 30 мин при температуре 90 и 40 мин при температуре 200 . Для травления слоя расположенного под фоторезистивной маской использовать травитель следующего состава: HF: =2:7:1.

11.Двухстадийная диффузия бора: осаждение на поверхность пластины боросиликатного стекла из газовой фазы, содержащей и , при 950 , обработка боросиликатного стекла во влажном кислороде при 600 в течение 30 мин, снятие боросиликатного стекла в травителе HF: =1:10, разгонка при 1050 в течение 30 мин до толщины превышающей толщину эпитаксиального слоя.

12.Термическое окисление структур при 1050 в сухом (10мин), влажном (20мин), и снова в сухом (10мин) кислороде.

13.Фотолитография для вскрытия окон в окисле для проведения базовой диффузии над теми карманами, где будут формироваться транзистор и резистор на основе базового диффузионного слоя. Применять фоторезист ФН 102. Нанесение фоторезиста и сушку осуществлять на агрегате формирования фоторезистивных покрытий АФФ 2. Сушку проводить в течении 15 мин. Экспанирование проводить в установке экспанирования ЭМ-569. Время экспанирования 40 сек. Проявление проводить в течении 20сек и температурой растворителя 50 . После проявки сушку проводить в два этапа: 30 мин при температуре 90 и 40 мин при температуре 200 . Для травления слоя расположенного под фоторезистивной маской использовать травитель следующего состава: HF: =2:7:1.

14.Двухстадийная базовая диффузия примеси p-типа (бор). Загонку проводить в течении 20 мин при температуре 900 . Одновременно формируется на базовых областях окисел толщиной 0,18…0,2 мкм и проводится разгонка 1ч при 1200 .

15. Фотолитография для вскрытия окон в окисле над областями эмиттера транзистора и коллекторного контакта нижней обкладки конденсатора. Размер эмиттера 100мкм, точность совмещения фотошаблона не более 1мкм.

16.Диффузия фосфора для получения области эмиттера на глубину 1,3мкм. Осаждение проводить при температуре 960 .

17.Фотолитография для вскрытия контактных окон в к резисторам, к нижней обкладке конденсатора и к областям транзистора.

18.Напыление пленки Al +(1%)Si толщиной (0,6 0,1) мкм, температура подложки 200 , температура отжига 250 .

19.Фотолитография по алюминию для формирования пленочной коммутации, верхней обкладки конденсатора и внешних контактных площадок. Клин травления и уход размеров не более 1мкм.

20.Осаждение изолирующего слоя окисла плазмохимическим способом при температуре 150 толщиной (1 0,1)мкм.

21.Фотолитография по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам микросхемы и дорожек для скрайбирования.

22.Скрайбирование пластин для разделения их на кристаллы. Операции контроля и разбраковка микросхем по электрическим параметрам и на функционирование на еще не разделенных на кристаллы пластинах ( на негодные кристаллы ставится метка краской). Затем производится разделение пластин на кристаллы без потери их взаимной ориентировки. Операции монтажа и сборки в корпус.

Заключение

В процессе выполнения курсового проекта была разработана полупроводниковая интегральная схема усилителя. В курсовом проекте были выполнены тепловые расчеты, расчет паразитных емкостей. Полученные в результате расчета значения не превышают максимально допустимых, указанных в справочной литературе. Та же картина наблюдалась и при расчете паразитных емкостей, значения, полученные в процессе расчета, оказались ничтожно малыми. Можно сказать, что паразитные емкости с подобными номинальными значениями не будут оказывать, сколь бы то ни было, ощутимое воздействие на работу усилителя. Посему было принято решение конфигурацию проводников оставить без изменений. В процессе работы был также осуществлен расчет надежности.

Основываясь на значениях топологических размеров элементов был разработан топологический чертеж. Разработав топологию, мы перешли к выбору корпуса и в результате остановили свой выбор на корпусе вида: «Корпус 1203 ГОСТ 17467 – 79».Важным этапом явился этап разработки технологического процесса изготовления микросхемы. В результате можно сделать вывод, что последний вполне способен обеспечить воспроизведение параметров, заложенных конструктором на этапе разработки полупроводниковой интегральной схемы. И в заключение всего можно сделать вывод, что разработанная нами микросхема способна занять достойное место среди подобных ей изделий.

В итоге можно сказать, что курсовое проектирование значительно влияет на освоение материала учебного курса и дает реальное представление о конструкторско-технологических работах, проводимых на этапе проектирования.

Литература

1. Конструирование и производство микросхем. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов по спец. «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и «Конструирование и производство электронно-вычислительной аппаратуры» /Под ред. Коледова Л.А. – М.: Высшая школа, 1984.-231 с.

2. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем. – Мн.: Вышэйшая школа, 1982.-224 с.

3. Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем: Учебное пособие для радиотехн. спец. вузов. – Мн.: Вышэйшая школа, 1985.- 207 с.