МГТУ им. Н.Э.Баумана

Курсовой проект по курсу

«Интегральные устройства РЭС»

Тема курсового проекта:

«Разработка конструкции и

технологического процесса изготовления

диффузионного резистора»

Вариант №1.

Выполнил: Акимов В. В. группа РЛ6-61

Руководитель проекта: Данилов И.И.

Москва 2013

Оглавление

Исходные данные для проектирования ___________________________________________3

Описание и анализ конструкции диффузионного резистора__________________________4

Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора _____________5

Оптимизация конструкции диффузионного резистора ______________________________8

Разработка основных этапов технологического процесса изготовления диффузионного резистора в составе ИМС _____________________________________________________12

Заключение _________________________________________________________________23

Список использованной литературы ____________________________________________24

Исходные данные для проектирования:

Разработать конструкцию и выбрать технологический процесс изготовления диффузионного резистора в составе ИМС. Программа выпуска – 50000 шт. в год. Выпуск ежемесячный.

Параметры резистора:

• номинал: 500 Ом;

• погрешность: ± 10 %;

• граничная частота не менее: 450 МГц;

• паразитная емкость не более: 0.1 пФ;

• выполнить оптимизацию конструкции резистора по критерию «минимальная площадь»;

• резистор должен иметь элементы связи с другими ИМС;

• материал: КДБ 10;

• минимальная ширина окна в окисле под резистор 14 мкм.

Описание и анализ конструкции диффузионного резистора.

Интегральные резисторы – группа резисторов с различными номиналами, изготовленных на общем основании (пассивной подложке, полупроводниковом кристалле) одновременно, в общем технологическом процессе, что осуществляется благодаря общему для всех резисторов резистивному слою, который может быть создан избирательно с помощью масок и трафаретов или нанесен в виде сплошной пленки с последующим избирательным травлением (фотолитографией). Среди интегральных резисторов выделяют следующие разновидности:

• диффузионные резисторы;

• эпитаксиальные резисторы;

• пинч-резисторы;

• эпитаксиальные пинч-резисторы;

• другие.

Остановимся подробнее на диффузионных резисторах.

Рис.1. Структура (а) и топология (б) диффузионного резистора

Рис.2. Поперечный разрез диффузионного резистора на основе базовой области.

Диффузионные полупроводниковые резисторы формируются в результате диффузии примеси через предварительно вытравленные в оксиде кремния окна (оксидная маска), расположенные по поверхности кремниевой групповой пластины. Диффузионные резисторы изготовляют одновременно с базовой или, что реже, с эмиттерной областью. Это связано с требованиями интегральной технологии, в частности с необходимостью минимизировать число операций. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется поверхностным сопротивлением R_сл. Значение R_сл является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии) и, к тому же, жестко предопределенным параметрами слоя транзистора, поэтому параметры резисторов улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора.

Предварительный расчет полупроводникового диффузионного резистора.

На начальном этапе конструирования определяется поверхностное сопротивление R_сл базовой области. Сначала определяем условную дозу легирования Q_п, т.е. количество примеси, приходящееся на 1 см² в пределах от 0 до Х_б, где Х_б – толщина базовой области, которая для диффузионных резисторов обычно лежит в пределах от 2.5 до 3.5 мкм. Мы же для начала возьмем толщину базы 3 мкм. Формула для вычисления Q_п имеет вид:

Здесь N(x) – функция распределения примеси по глубине;

Q – полная доза легирования, установим ее значение 5.32*10¹⁴ см^-2;

D_p и t_p – соответственно коэф-т диффузии и время в процессе разгонки примеси (в нашем случае они соответственно равны 10^-12 см²/с и 4000 с).

После замены переменных  и dх/(2D_p t_p) = d приходим к выражению:

где erf v – функция ошибок, которая выбирается из таблицы:

	erfc 		erfc 		erfc 		erfc 
0,0	1,00000	1,0	0,15730	2,0	0,00468	3,0	0,00002209
0,1	0,88754	1,1	0,11980	2,1	0,00298	3,1	0,00001165
0,2	0,77730	1,2	0,08969	2,2	0,00186	3,2	0,00000603
0,3	0,67137	1,3	0,06599	2,3	0,00114	3,3	0,00000306
0,4	0,57161	1,4	0,04772	2,4	0,00069	3,4	0,00000152
0,5	0,47950	1,5	0,03390	2,5	0,00041	3,5	0,000000743
0,6	0,39614	1,6	0,02365	2,6	0,00024	3,6	0,000000356
0,7	0,32220	1,7	0,01621	2,7	0,00013	3,7	0,000000167
0,8	0,25790	1,8	0,01091	2,8	0,00008	3,8	0,000000077
0,9	0,20309	1,9	0,00721	2,9	0,00004	3,9	0,000000035

В нашем случае , по таблице выбираем функцию ошибок: efr(2.4)=1-0.00069=0.999;

Подставляя в выражение для Q_п значения параметров, указанных выше, получим:

Q_п = 5.318*10¹⁴ см^-2

Среднее значение концентрации примеси в пределах 0…x_б равно

N_ср = 5.318*10¹⁴ см^-2/ 3*10^-4 см = 1.7726*10¹⁸ см^-3

Эффективная концентрация примеси, определяющая электропроводность области:

N_ср.эф. = N_ср – N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 – 10¹⁶ см^-3 = 1.7626 см^-3,

где N_к — концентрация примеси в коллекторе(10¹⁶ см^-3).

Удельное объемное сопротивление базовой области

_Б = 1/(q_pN_ср.эф)

где q = 1,610^-19 Кл - заряд электрона;

_p = f(N_) - подвижность основных носителей (дырок), см²/(Вс);

Суммарная концентрация примеси в базовой области:

N_Σ = N_ср + N_к = 1.7726*10¹⁸ см^-3 + 10¹⁶ см^-3 = 1.7826*10¹⁸ см^-3,

Для кремния при Т = 300 К подвижность дырок определяем по формуле:

_p = 47.7+447.3/[1+( N_/6.310¹⁶)^0.76]

_p =80 см²/Вс

Удельное объемное сопротивление базовой области:

ρ_б = 1/(q*μ_p*N_ср.эф.) = 1 /(1.6*10^-19Кл * 80см²/В*с * 1.7626*10¹⁸см^-3) = 0.0443 Ом*см

Удельное поверхностное сопротивление:

R_СЛ = _Б/х_Б

R_СЛ = 148 Ом

Перейдем к проектированию геометрической конструкции резистора. Т.к. номинал резистора по условию задан с погрешностью 10 %, то выбираем ширину линейной части резистора:

a = 10x_б = 30 мкм.

Минимальная ширина окна в окисле также задана в условии:

L₁ = 14 мкм (14 х 14 мкм).

Взяв значения абсолютной предельной погрешности размеров элементов топологического рисунка на кремниевой пластине Δ_пл = 1 мкм и абсолютной предельной погрешности совмещения двух смежных топологических слоев Δ_с = 2 мкм производим дальнейшие расчеты.

Ширина металлического проводника:

L_п = L₁ +2 Δ_пл + 2 Δ_с

L_п = 14 мкм + 2 мкм + 4 мкм = 20 мкм

Размер контактной области:

L₂ = L_п +2 Δ_пл + 6 Δ_с

L₂ = 20 мкм + 2 мкм + 12 мкм = 34 мкм

Сопоставив размер контактной области и ширину резистора, выберем конфигурацию резистора, представленную на рис 3.

Из соотношений L₂ / a и L₁ / a с помощью специальной номограммы:

Рис.4. Нонограмма для определения коэффициента контактной области.

определяем К – коэффициент контактной области, он равен 0.3, и следующим шагом рассчитываем длину линейной части резистора:

L = (R – 2K*R_сл)* a / R_сл

L = (500 – 2*0.3*148)*30/148 мкм = 83.4 мкм

S = (L + 2*L₂)*L₂

S = 5147.6 мкм²

Это были лишь предварительные расчеты, являющиеся скорее примером расчета, нежели определением реальных параметров резистора, т.к. теперь нам предстоит провести оптимизацию конструкции диффузионного резистора с учетом критерия оптимизации – необходимости получения минимальной площади.