Расчет геометрических размеров резисторов и разработка топологии интегральных микросхем

Рис10. Конструкция пинч-резисторов: а -- на основе базового слоя; б -- на основе коллекторной области

Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное R2 (500--5000 Ом). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора постоянна по всему сечению в отличие от диффузионных резисторов. У эпитаксиального резистора поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений диффузионных резисторов, так как эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Поскольку эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления эпитаксиальных резисторов значителен. Эти резисторы имеют большой ТКС, поскольку коллекторная область легирована слабо. Таким образом, если в микросхеме можно использовать некритичные резисторы с высокими номинальными значениями, то их целесообразно формировать на основе эпитаксиального слоя, что позволит сэкономить площадь кристалла.

Ионно-легированные резисторы. Высокоомные резисторы, занимающие малую площадь на кристалле, можно получить, используя метод ионной имплантации. Поверхностное сопротивление резисторов, изготовленных методом ионного легирования, при соответствующем выборе дозы легирования и режиме термообработки может составлять от 500 Ом до 20 кОм. Абсолютное значение удельного поверхностного сопротивления может выдерживаться с точностью ±6%. Температурные коэффициенты сопротивления резисторов, полученных методом ионного легирования, обычно меньше ТКС диффузионных резисторов. Структура ионно-легированных резисторов такая же, как и диффузионных резисторов, но глубина ионно-легированных слоев составляет 0,1--0,3 мкм (рис. 11). Создание диффузионных р- или n-областей необходимо для получения качественных омических контактов. Низкий ТКС, высокое удельное сопротивление и хорошая совместимость с другими элементами позволяют, использовать ионно-легированные резисторы для изготовления прецизионных аттенюаторов, а также в микромощных микросхемах. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены

Рис. 11. Конструкция ионно-легированных резисторов:

а -- с р-ионно-легироваиным слоем; б-- с n-ионно-легированным слоем

3.2 Порядок расчета полупроводниковых резисторов

Как уже отмечалось, один из способов реализации резистивных элементов в полупроводниковых микросхемах заключается в использовании диффузионных слоев, полученных при формировании базовых или эмиттерных областей транзисторов. Кроме того, применяются эпитаксиальные и ионно-легированные резисторы.

Исходными данными для определения геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются:

а) заданные в принципиальной электрической схеме номинальное значение R и допуск на него yR =R/R;

б) поверхностное сопротивление легированного слоя Rs, на основе которого формируется резистор;

в) средняя мощность, рассеиваемая резистором Р, и максимально допустимая удельная мощность Р;

г) основные технологические и конструктивные ограничения. Сопротивление резистора R = RS l/b, где l и Ь -- длина и ширина резистора.

Проектирование резистора с заданным номиналом сводится к определению конфигурации резистивного слоя, так как при известном поверхностном сопротивлении слоя Rs номинальное значения сопротивления резистора зависит от отношения его длины к ширине (коэффициента формы K = l/b). Контактные площадки, расположенные на концах полупроводникового резистора, вносят дополнительные сопротивления. Поэтому в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, зависящий от конфигурации контактных областей. На рис. 12 приведены' несколько типовых топологий полупроводниковых резисторов. Конфигурации, приведенные на рис. 12, а, б, пригодны для реализации низкоомных резисторов с номинальными значениями от нескольких ом до одного килоома. При этом оказывается, что для очень низкоомных резисторов ширина превышает его длину. Сопротивления резисторов, показанных на рис. 12, а, б, равны соответственно R=R(L\b+2K) R=R(L+L)

Для резисторов с номинальными значениями,, превышающими 400 Ом, можно использовать топологию, приведенную на рис. 12. Расчетное соотношение для определения сопротивления резистора в этом случае

R=R(L\b+2k)

Резисторам с номинальными значениями более 1 кОм целесообразно придавать форму змейки (рис. 12, г), что позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую резистором.

Рис. 12. Топологии диффузионных резисторов:

а. б -- низкоомные до 1 кОм; в, г -- свыше 400 Ом

Расчет геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов начинают с определения их ширины. За ширину резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из следующих величин:

минимальной ширины резистора ?тех, определявши разрешающей способностью технологических процессов

минимальной ширины резистора 6ТОчи, при которой точность его изготовления равна заданной;

минимальной ширины резистора ЬР определяемой исходя из максимально допустимой рассеиваемой мощности:

абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски (для типовых технологических процессов мкм); Кф--коэффициент формы, определяется из соотношения относительная погрешность коэффициента формы резистора:

Здесь относительная погрешность удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, для типовых технологических процессов температурная погрешность сопротивления. Минимальное значение ширины определяется как где максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах,

Расчетную длину резистора определяют исходя из формул

Для составления топологического чертежа определяют вначале промежуточные значения ширины и длины резистора, учитывающие технологические отклонения размеров где погрешность, вносимая счет систематического растравления контактных окон в окисле для типовых технологических погрешность, вносимая за счет ухода базовой (эмиттерной) диффузии под окнсел в боковую сторону. Через Обозначен коэффициент, учитывающий распределенно примесей вблизи границы резистора, причем обычно. Для резисторов шириной более 10 мкм боковой диффузией можно пренебречь (а -- 0). В более узких резистора боковая диффузии оказывает значительное влияние, поэтому в расчеты необходимо вводить соответствующую поправку.

Затем выбирают шаг координатной сетки и т. д., определяют топологические значения ширины и длины резистора;

где Целые положительные числа.

После этого оценивают получающуюся погрешность сопротивление, рассчитанное по

Если то ширину резистора увеличивают на величину и все вычисления повторяют.

3.3 Расчёт полупроводниковых резисторов

Все расчёты проводятся по упрощённой схеме с использованием табличных значений из справочника. Выбираем ширину базовой области для резистора:

1) Низкоомные резисторы с номиналом R ? 1 кОм имеют ширину базовой области В=30 мкм;

2) Высокоомные резисторы с номиналом от 1 кОм до 5 кОм(1кОм ?R? 5кОм) выполняются с шириной базового слоя В=20 кОм;

3) Высокоомные резисторы с номиналом R>5 кОм выполняются с шириной базового слоя В=15 кОм

Таким образом достигаются воспроизводимость параметров резисторов в обьёие партии в следствии малого влияния боковой диффузии и погрешностей технологических операций.

Из справочных данных применяем следующие величины удельного поверхностного сопротивления сs:

1) При 100 Ом ?R? 300 Ом сs= 120 Ом

2) При 300 Ом ?R? 2,5 кОм сs= 222 Ом

3) При 3 кОм ?R? 4 кОм сs= 320 Ом

4) При 5 кОм ?R? 10 кОм сs= 240 Ом

Составим таблицу значений (Таблица 2)

Значения для расчёта длинны резистора.

Таблица 2

Исходя из того, что коэффициент формы "n" можно представить двумя формулами:

n = и n =

Прировняем правые части этих уравнений:

= ,

где В- ширина резистора

L- длинна резистора

Формула для расчёта длинны резистора L:

L=

Все величины входящие в формулу нам известны поэтому рассчитаем длину каждого из резисторов.

1)

2)

В

3)

4)

4. Проектирование топологии ИМС

Важнейший этап проектирований полупроводниковой микросхемы заключается в преобразовании ее электрической схемы в топологию. Сущность разработки топологии микросхем состоит в определении взаимного расположения элементов на подложке Разработка топологии не сводится к размещению элементов на подложке. Этот процесс должен осуществляться так, чтобы обеспечить оптимальное расположене элементов, при котором уменьшается влияние паразитных аффектов, присущих полупроводниковым микросхемам. Поэтому одной из основных задач при разработке топологии микросхемы является выбор критерия оптимальности размещения элементов. В настоящее время при разработке топологии полупроводниковых микросхем с однослойной металлизацией обязательными считаются следующие критерии: минимизация общей суммарной длины соединений; минимизация числа пересечений межэлементных соединений. Проектирование топологии микросхем носит индивидуальный характер и зависит от степени сложности принципиальной электрической схемы,*Тем не менее при разработке топологии необходимо выполнять следующие основные правила:

1 Для учета влияния диффузии примеси под маскирующий окисел, растравливания окисла, ошибок фотолитографии при составлении топологической схемы все элементы схем, кроме контактных площадок, рекомендуется размещать на расстоянии от щели под разделительную диффузию, равном удвоенной толщине эпитаксиального слои,

2 К изолирующим р-n-переходам всегда должно быть при ложе но напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки р-типа, или области разделительной диффузии р-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным потенциалом. При этом обратное напряжение, приложенное к изолирующему р-n-переходу, не должно превышать напряжения пробоя.

3. При размещении элемента микросхем и выполнении зазоров между ними, необходимо строго выполнять ограничения, соответствующие типовому технологическому процессу.

4. Резисторы, формируемые на основе базового диффузионного слоя, можно располагать и одной изолированной области, которая подключается к самому положительному потенциалу схемы, т. е. к коллекторному источнику питания.

5. Резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях.

6. Реальная форма резисторов, кроме ширины подоски, не является критичной. Резисторы могут быть прямыми, изогнутыми или иметь любую другую форму одна ко во всех случаях отношение длины резистора к его ширине должно быть согласовано с удельным сопротивлением исходного диффузионного слоя и обеспечено получением заданного номинала. Высокоомные резисторы рекомендуется выполнять в виде параллельных полосок с перемычками между ними. Номинальное значение резистора в этом случае будет выдержано более точно, чем при изогнутом резисторе.

7. Для уменьшения мест локального нагрева резисторы с большой рассеиваемой мощностью ме следует располагать вблизи активных элементов а рекомендуется выносить их на край кристалла

8. Резисторы, у которых необходимо точно выдержать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг с другом. Это правило относится И к другим элементам микросхем, для роторых требуется обеспечить согласование характеристик, т. е. их топологии должны быть одинаковы, а взаимное расположение -- как можно более близким.

9. Любой диффузионный резистор может пересекаться проводящей дорожкой, гак как проведение металлизированного проводника по слою двуокиси кремния, покрывающему резистор, не оказывает существенного вредного влияния.

10. Форма и место расположения конденсаторов не являются критичными

11. Для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью.

12. Транзисторы n-р-n-типа, работающие в режиме эмиттерного повторителя, можно размещать в одной изолированной области вместе с резисторами.

13. Все коллекторные области n-типа, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы.

14. Для каждого диода, формируемого на основе перехода коллектор -- база, должна быть предусмотрена отдельная изолированная область. Диоды, формируемые на основе перехода эмиттер-- база,, можно размещать в одной изолированной области.

15. Для улучшения развязки между коллекторными изолированными областями контакт к подложке рекомендуется выполнять в непосредственной близости от мощного транзистора.

16. Для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные изолированные области.

17- Для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой под каждой из них рекомендуется создавать изолированную область. В этом случае емкость между контактной площадкой и подложкой оказывается включенной последовательно с емкостью изолирующего перехода и, следовательно, результирующая паразитная емкость уменьшается.

18. Соединения, используемый для ввода питания и заземления, следует вы полегать в виде коротких широких полосок, что обеспечивает уменьшение паразитных сопротивлении.

19, Число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов микросхем на кристалле должны соответствовать выводам корпуса.

20- Коммутация элементов микросхем должна иметь минимальное количество пересечений. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и, наконец, создавая дополнительный слой изоляции между пересекающимися проводниками. При разработке топологической схемы необходимо стремиться к получению минимально возможной длины межэлектродных соединений.

21. Когда наличие паразитных емкостей не существенно, резисторы могут быть размещены в тех же изолированных областях, что и транзисторы. При этом не имеет значения, должны ли они соединяться между собой. Расстояние между резисторами должно быть не менее 10 мкм. Коллектор транзистора и резистор должны располагаться на расстоянии не менее 12 мкм.

22. Расстояние между диффузионной базовой областью н контактом коллектора может быть увеличено, чтобы провести одну или две металлические дорожки между контактами коллектора и базы. Это можно сделать, так как коллекторный ток главным образом протекает от базы через скрытый слон к коллекторному контакту. Однако чем больше расстояние между базой и коллектором, тем больше паразитное сопротивление и паразитная емкость коллектора. Металлический проводник не может быть размещен между контактами базы и эмиттера за счет удлинения диффузионного базового слоя.

23. Наиболее важным.правилом при разработке топологии является минимизации площади. за1гимаемой микросхемой. Это позволяет увеличить число микросхем, изготовляемых на пластине с заданным диаметром, Кроме того, необходимо учесть, что вероятность случайных дефектов н полупроводниковом кристалле возрастает с увеличением площади.

5. Выводы о проделанной работе

В данном курсовом проекте разработана топология интегральной микросхемы.

Разработанная мной топология соответствует электрической принципиальной схеме, учитывая топологические ограничения, и использует исходные конструктивные данные.

Для изготовления заданной схемы была выбрана планарная технология на кремниевой пластине. Изоляция элементов схемы осуществляется с помощью обратно смещённого р-n перехода.

Топология кристалла была разработана с учётом конструктивно-технологических ограничений' и требований. Размеры диффузионных резисторов, использованных в схеме, были рассчитаны упрощённым методом.

Разработанная топология интегральной микросхемы не требует сложного оборудования и обеспечивает приемлемый результат для заданной схемы.

Список использованной литературы

1. Николаев И.М., Филинюк Н.А. Интегральные микросхемы и основы их проектирования. - М.: Радио и связь. 1992.

2. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование под ред. Коледова Л.А. - М: высшая школа. 1984

3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники - М.: Советское радио, 1980

4. Черчение под ред. Куликова А.С. - М: высшая школа, 1989

5. Малышева И. А. Технология производства интегральных микросхем - М: Радио и связь, 1991.

Страницы: 1, 2, 3