Реферат: Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-инвертора

Министерство образования Российской Федерации

Новгородский государственный университет

имени Ярослава Мудрого

Кафедра физики твёрдого тела и микроэлектроники

Математическое моделирование технологического процессаизготовления ТТЛ-инвертора

 

Курсовая работа по дисциплине:

Математическое моделирование технологических процессовполупроводниковых приборов и ИМС

                                                                                       Принял:

доцент кафедры ФТТМ   

                            ___________ Б.М. Шишлянников

“_____” _________ 2000 г.

доцент кафедры ФТТМ

                            ___________ В.Н. Петров

“_____” _________ 2000 г

                                      Выполнил:

Студент гр. 6031

                            ___________ Д.С. Бобров

“_____” _________ 2000 г.

Великий Новгород

2000

Техническое задание

 

1Предложить топологический вариант и представить режим технологического процессаизготовления биполярной структуры интегральной схемы полагая, что локальноелегирование производиться методом диффузии.

2Представить распределение примесей в отдельных областях структуры. Процессысегрегации примеси при окислении можно не учитывать.

3Рассчитать параметры модели биполярного транзистора, исходя из значений слоевыхсопротивлений и толщины слоев структуры.

4Рассчитать входные и выходные характеристики биполярного транзистора.

5Рассчитать основные параметры инвертора, построенного на базе биполярноготранзистора (напряжения логических уровней, пороговые напряжения,помехоустойчивость схемы, времена задержки и средний потребляемый ток схемы).

6Рассчеты провести для номинальных значений режимов процесса диффузионноголегирования и для двух крайних значений, определяемых с точностью поддержаниятемператур при легировании области эмиттера Т=/>1.50С.

7Разрешается аргументированная корректировка параметров технологическогопроцесса или заданных слоев, с тем чтобы получить приемлемые характеристикисхемы.

Таблица 1- Исходные данные Вариант Эмиттер База Коллектор Примесь

ТДИФ,

 0С

ХJe, мкм

Примесь

NS,

 см-3

Толщина, мкм

Nb,

см -3

3 мышьяк 1100 0,4 бор

2ּ10 18

0,6

1,5ּ1016

Содержание

Введение. 5

1Расчетрежимов технологического процесса и распределение примесей после диффузии  6

1.1Распределение примесей в базе. 6

1.2Расчет режимов базовой диффузии. 6

1.3Распределение примесей в эмиттере. 8

1.4Расчет режимов  эмиттерной диффузии. 8

2Расчет слоевых сопротивлений биполярного транзистора. 13

3Расчет основных параметров инвертора. 15

Заключение. 18

Списокиспользуемой литературы… 19

                                                                                           

                                                                                          

Реферат

Целью данной работыявляется моделирование технологического процесса изготовления биполярнойструктуры, затем ТТЛ-инвертора на базе этой структуры. В ходе работы необходиморассчитать основные параметры схемы.

Пояснительная запискасодержит:

-страниц………………………………………………………………..20;

-рисунков………………………………………………………………..4;

-таблиц…………………………………………………………………..3;

-приложений…………………………………………………………...10.

Введение

Развитие микроэлектроникии создание новых БИС и СБИС требует новых методов автоматизированногопроектирования, основой которого является математическое моделирование всехэтапов разработки микросхемы.

Необходимость внедрениягибких систем автоматизированного проектирования очевидна, посколькупроектирование микросхем сложный и длительный процесс. В настоящее времяиспользуется сквозное моделирование микросхем, которое включает в себя расчет ианализ характеристик и параметров на следующих уровнях:

-технологическом;

-физико-топологическом;

-электрическом;

-функционально-логическом.

В ходе данной работы намнеобходимо осуществить сквозное проектирование схемы ТТЛ-инвертора на трехпервых уровнях.

Расчеты предусматриваетсяпроизвести с использование программы расчета параметров модели биполярноготранзистора Biptran и программы схемотехническогомоделирования PSpice.

1Расчетрежимов технологического процесса и распределение примесей после диффузии

        

1.1 Распределение примесей в базе

Распределение примесей вбазе описывается кривой Гаусса и определяется формулой:

/>,                                  (1)

где: NS — поверхностная концентрацияакцепторов;

                    D- коэффициент диффузии примеси;

                     t- время диффузии;

                    /> — глубина залеганияколлекторного p-n перехода.

Поверхностная концентрация определяется по формуле:

/>,                                              (2)

Из формулы 1 выражаем D2t2:

/>

Тогда имеем следующее выражение для распределенияпримеси в базе:

/>,                         (3)

Результаты  расчета распределения примеси в базеприведены в таблице 1, а сама кривая представлена на рисунке 1.

1.2 Расчет режимов базовой диффузии

К основным параметрам диффузионного процессаотносят время диффузии и температуру диффузии.

        

Из выражения 2 найдёмпроизведение D1t1 для первого этапа диффузии (загонки) по формуле:

/> <td/>

/>

 

                                      

где     /> 

В результате получим:

/>

Коэффициент диффузии примеси определяется извыражения Аррениуса:

/> <td/>

/>,                                      (4)

 

где  />=5.1 (длябора) – постоянная диффузии,

        />=3.7 (длябора) – энергия активации,

         k – постоянная Больцмана,

         Т – температура процесса диффузии.

Таким образом для бора получаем следующее выражение:

/> <td/>

/>

 

         Температуру базовой диффузии при загонке выберем равной1073К (800°С), а при разгонке 1373К(1100°С) тогда:

/>  

/>

/>

/>

1.3 Распределение примесей в эмиттере

Эмиттерную диффузию ведутв одну стадию и распределение примеси описывается erfc-функцией:

/>

          

(5)

где   /> - концентрация предельной растворимости мышьяка в кремниипри заданной температуре  (1100°С);

                    />  - глубина залегания эмиттерного p-nперехода.

         Диффузия мышьяка идёт в неоднородно легированнуюбазовую область, поэтому расчётная формула усложняется:

/> <td/>

/>

 

(6)

где/>   при 1100°С;

                  />.

Подставив эти значения в выражение 6 получим:  />.

Подставляя это значение в выражение 5 получимраспределение мышьяка в эмиттерной области после диффузии. График распределенияпредставлен на рисунке 1.

1.4 Расчет режимов  эмиттерной диффузии 

Найдём, по аналогии сбазовой диффузией, для эмиттерной время и температуру процесса. В данном случаетемпература процесса задана (1100°С) и необходимо найти только время диффузии. Для этогонеобходимо сначала определить коэффициент диффузии, который находится извыражения 4. Постоянная диффузии D0энергия активации /> для фосфора равны 10,5 и 4,08 соответственно. Тогдаполучаем:

/> <td/>

/>

 

                                                                                                  

Решив это уравнениеполучим:

/>   ;

             t=98мин 33сек.

Так как эмиттернаядиффузия проходит при высоких температурах, то она оказывает влияние надиффузию бора в базовой области. Необходимо учитывать это влияние. Учестьэмиттерную диффузию при базовой можно по следующей формуле:

/> .                                                      (7)

Таким образом времяразгонки при базовой диффузии с учётом влияния эмиттерной диффузии t2=53мин44сек… В таблице 2 представлены все основные параметры диффузионных процессов.

Таблица 2 – Параметры диффузионных процессов

Параметр Эмиттерная диффузия Базовая диффузия Загонка Разгонка

Dt,    />

/>

/>

/>

D,     />

/>

/>

/>

t 98мин 33с 15мин 48с

53мин 44с*

* — время разгонки, представленное в таблице, уже с учётомэмиттерной диффузии

        

Совмещённое распределение примесей определяется выражением:

/> <td/>

/>

 

(8)

где />, />, /> - концентрации эмиттерной, базовой иколлекторной областей соответственно, в данной точке.

 График совмещённогораспределения примесей представлен на рисунке 2.

Таблица 3-Распределениепримесей в транзисторной структуре

Глубина залегания примеси Распределение примеси в эмиттере Распределение примеси в базе Суммарное распределение x, см

N(x), см-3

N(x), см-3

N(x), см-3

1,6ּ1021

2ּ1018

1,59ּ1021

4ּ10–6

1,17ּ1021

1,98ּ1018

1,17ּ1021

8ּ10–6

7,81ּ1020

1,94ּ1018

7,79ּ1020

1,2ּ10–5

4,83ּ1020

1,86ּ1018

4,81ּ1020

2,8ּ10–5

2,59ּ1019

1,36ּ1018

2,45ּ1019

3,2ּ10–5

9,13ּ1018

1,21ּ1018

7,98ּ1018

3,6ּ10–5

3,13ּ1018

1,06ּ1018

2,05ּ1018

4,8ּ10–5

6,47ּ1017

6,32ּ1017

5,6ּ10-5

4,31ּ1017

4,16ּ1017

6,4ּ10–5

2,69ּ1017

2,54ּ1017

7,2ּ10–5

1,58ּ1017

1,43ּ1017

8ּ10–5

8,73ּ1016

7,23ּ1016

8,8ּ10–5

4,52ּ1016

3,02ּ1016

9,6ּ10–5

2,02ּ1016

7,02ּ1015

1,05ּ10–4

9,08ּ1015

5,91ּ1015

1,1ּ10–4

5,37ּ1015

9,62ּ1015

1,15ּ10–4

3,09ּ1015

1,19ּ1016

1,2ּ10–4

1,74ּ1015

1,33ּ1016

1,3ּ10–4

5,13ּ1014

1,44ּ1016

1,4ּ10-4

1,36ּ1014

1,48ּ1016

1,5ּ10–4

3,31ּ1013

1,49ּ1016

/>

1-Распределение мышьяка в эмиттерной области после диффузии;

            2- Распределениебора в базовой области после диффукзии;

            3- Концентрацияпримеси в коллекторе

Рисунок 1-Профиль распределения примесей в эмиттере и базе

/>

Рисунок 2- Суммарное распределение примесей эмиттера и базы

2Расчет слоевых сопротивлений биполярного транзистора

Слоевые сопротивления длябазовой и эмиттерной областей рассчитываем по следующей формуле:

/>,                                        (9)

где  q = 1.6ּ10 -19 Кл – заряд электрона;

              N(x,t) –распределение примеси в данной области транзисторной структуры;

             μ(N(x,t)) – зависимость подвижности от концентрации примеси.

Зависимость подвижности от концентрации примесиопределяется по формулам:

/> <td/>

/>

 

(10)

/> <td/>

/>

 

(11)

Таким образом, слоевое сопротивление эмиттерарассчитываем по формуле:

/>,                        (12)

где  NЭМ(x,t)– распределение примеси в эмиттере рассчитанное по формуле 5.

Теперь произведём расчётслоевого сопротивления базы по формуле:

/>,                     (13)

где  NБАЗ(x,t) – распределение бора вбазовой области рассчитанное по формуле 1.

Для расчёта слоевых сопротивлений воспользуемсяпакетом программ Mathcad 5.0 Plus, в результате расчёта получили следующиезначения слоевых сопротивлений:

 /> = 7.16Ом/кв;

  />= 795Ом/кв.

 Произведём также расчёт слоевых сопротивлений длядвух крайних значений, определённых с точностью поддержания температур прилегировании области эмиттера Т=±1,5°С. В результате расчётов получим следующиезначения слоевых сопротивлений:

при Т = 1101,5°С   /> =6.07 Ом/кв. 

при Т = 1098,5°С    />=7.37 Ом/кв.

Затем с помощью программы Biptran рассчитаем параметрымоделей транзисторов при номинальной температуре и для двух крайних значений,определённых с точностью поддержания температур при легировании областиэмиттера Т=±1,5°С.

В результате расчётов получаем следующие моделитранзисторов (см. Приложение ).

3 Расчетосновных параметров инвертора

Схема инвертора представлена на рисунке 3.

/>

Рисунок 3-Схема инвертора

В данной курсовой работе необходимо определитьследующие параметры инвертора:

·    напряжение логических уровней;

·    пороговое напряжение;

·    времена задержки;

·    помехоустойчивость схемы;

·    среднюю потребляемую мощность.

Прежде чем приступить к расчету основных параметровинвертора, учтем влияние технологического процесса на номиналы резисторов. Вданной работе мы будем выполнять высокоомные резисторы на основе базового слоя,а низкоомные на основе эмиттерного слоя, то естественно, что изменениетемпературы будет сказываться на номиналах резисторов.

Это связано с тем, как было описано выше, слоевоесопротивление изменяется с изменением температуры. Учитывая все выше сказанноеи выражение:

/>,

где: l,b – геометрические размеры резисторов.

Тогда:

/>,

где: R’ –сопротивление с учетом температуры.

Таблица 4 – Сопротивления резисторов при различныхтемпературах

R,  Ом

Т=1100 0С

Т=1101,5 0С

Т=1098,5 0С

R1

20ּ103

19.8ּ103

20.20ּ103

R2

1.5ּ103

1.48ּ103

1.51ּ103

R3

8ּ103

7.98ּ103

8.08ּ103

R4 120 101.7 123.52 R5

3ּ103

2.97ּ103

3.03ּ103

При сравнении номиналов резисторов можно сделатьвывод, что при увеличении температуры номиналы резисторов уменьшаются, а приуменбшении-увеличиваются.

Напряжение логических уровней определяем попередаточной характеристики ТТЛШ – инвентора, построенной при помощи пакетапрограмм Pspice, которая представленаа в Приложении .

Напряжения логических нулей равны:

U° =B;

U' =B.

        

Для того, чтобы найти пороговое напряжения необходимопродифференцировать />, тогда всоответствии с Приложением :

U°пор = 0.5B,

U'пор = 1.73B.

Зная напряжения логических уровней и пороговыенапряжения, можно определить помехоустойчивость схемы:

Uпом = min(U0пом,U1пом)

U0пом = U0пор – U0

U1пом = U1 – U1пор

U0пом = В

U1пом

Uпом  = В

Время задержки легко определить, сравнением входного ивыходного импульсов (Приложение ) = В

/> /> /> /> /> /> /> />

/>

  />

         Средняя потребляемая мощность определяется изграфика в Приложении 10:

/> /> /> /> /> /> /> /> /> <td/>

/>

  /> />

/>

 

Таким образом, получимпотребляемую мощность:

/> <td/>

/>

 

         Прирасчёте выяснилось что у схемы маленькая помехоустойчивость. В связи с этимрекомендуется уменьшить сопротивление коллекторов у выходных транзисторов схемы(Q4 и Q5).

Этоприведёт к уменьшению напряжения логического нуля, что в свою очередь приведётк повышению помехоустойчивости схемы.

Заключение

В ходе данной работы былопроизведено сквозное проектирование ТТЛШ – инвертора. В результате былирассчитаны параметры биполярного транзистора. Профили распределения примесей вбиполярной структуре представлены на графиках в Приложениях 1,2,3, а моделитранзисторов в Приложении 6.

Кроме того мы рассчиталитакие параметры ТТЛШ – инвертора, как напряжение логических уровней, пороговыенапряжения, помехоустойчивость схемы, время задержки, среднюю потребляемуюмощность. Результаты расчётов представлены в пункте 3 и приложениях 7,8,9,10.Полученные результаты удовлетворяют требованиям ТТЛШ – микросхем.

         Расчёты представленные вэтой работе являются приближёнными, так как для более точных расчётовнеобходимы более мощные средства автоматического проектирования.

         В ходе работы мы пренебреглипроцессами сегрегации примеси при окислении, а также зависимостью коэффициентадиффузии от концентрации.

         В результате работы мыполучим математическую модель технологического процесса ТТЛШ –инвертора.

Списокиспользуемой литературы

 

1 Курносов А.И., Юдин В.В.Технология производства полупроводниковых приборов.- Москва.: Высшая школа,1974. – 400с.: ил.

2 Черняев В.Н.Физико-химические процессы в технологии РЭА: Учебное пособие для вузов.-Москва.: Высшая школа, 1982. 224 с.: ил.

3 Матсон Э.А.Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем. –Мн.: Высшаяшкола, 1983. –271 с.: ил.

4 Коледов Л.А.Конструирование и технология микросхем. курсовое проектирование: Учебное пособиедля вузов.- Москва.: Высшая школа, 1984. –231с.: ил.