Топологічне проектування

1. Розробка комутаційної схеми

2. Розміщення та вибір форми плівкових елементів на платі а також трасування

3. Оцінка якості топології і її корекція

Перелічені етапи виконують за такими загальними принципами:

• Мінімізація площі, яка займається елементами, компонентами і ГІС в цілому

• Мінімізація перетинів між елементних з’єднань.

• Рівномірне розташування елементів, компонентів по площі підкладки.

• Мінімізація кількості матеріалів, що застосовуються для виготовлення плівкових елементів

• Підвищення ступеня інтеграції елементів і технологічних операцій

1. Визначення розмірів плати.

Для врахування переліченого площа розраховується за формулою.

2. Розробка комутаційних з’єднань

Її розробляють на основі електричної принципової схеми, конструкторських та експлуатаційних вимог.

Порядок розробки: з принципової схеми виключають усі навісні компоненти, заміняють їх контактними площадками, при чому КП компонентів у кінцевому результаті розміщають за 2-ма напрямками.

Розташовують всі КП з урахуванням схемо-технічних конструкторських та технологічних вимог.

3. Розташовують інші елементи з їх позначенням. Приєднуючи до КП згідно з принциповою схемою.

4. Аналізують комутаційну схему, спрощують і усувають перетини.

Прийоми зменшення перетинів:

• Переміщують перетин у місце схеми, де його можна реалізувати у вигляді плівкового і навісного провідника. Можна пропускати провідник між КП, між краєм підкладки і КП і т.і.

• Варіювання розташування компонентів

• При переміщення КП у процесі розробки комутаційної схеми їх можна нумерувати довільно.

• Остаточна нумерація створюється після завершення комутаційної схеми за існуючими правилами та конструкцією компонентів

Формі і розміри елементів задає їх попередній розрахунок.

На топологічному кресленні їх виконують згідно з цими розрахунками в масштабі 10 чи 20 до 1. Форма елементів прямокутна. Розташовують їх згідно їз схемою комутації. Технологічні вимоги:

• Плата повинна мати захисний шар, який позначається на топології.

Оцінка якості

1. Електричній принциповій схемі

2. Конструкторським вимогам

3. Технологічним вимогам та обмеженням

4. Методу виготовлення

5. Електричним вимогам

6. Максимальне використання площі підкладки і т.і.

Напівпровідникові інтегральні схеми

Класифікація н/п схем

Напівпровідники – кремній. Діелектрики – SiO2, оксиди матеріалів, нітриди матеріалів

Елементна база. Всі елементи НІМС створюються на основі транзисторних структур. Пасивна база: резистори - шари транзисторної структури, а саме низькоомні резистори, еміттерні шари, високоомні резистори – колекторні шари біполярного ВТ, чи затвор. Виняток – резистори надвисокого опору, тоді їх створюють плівками на поверхні підкладки – а це винятково. Конденсатори: низьковольтні - емітер ний перехід, високовольтні – колекторний перехід чи затвор НДН транзистора. Самі транзистори – це біполярні і уніполярні.

02.04.12

У кристалі створений транзистор. Між колектором і емітером знаходиться база певного розміру. У кристалі 5*5 знаходиться біля 10 тисяч транзисторів.

Емітер

База

Колектор

Пунктиром показані паразитні зв’язки, суцільні – основні провідники.

Фрагменти напівпровідникової біполярної схеми.

У такому випадку необхідно ізолювати елементи один від одного і від підкладки. Таким чином способи ізоляції елементів напівпровідникових ІМС:

1. За допомогою діелектричних плівок.

Схема изготовления карманов 1 из поликристаллического кремния 2, окисла кремния 2, оксида кремния 3 и карбида кремния 4.

а – монокристалический кремний н-типа. Створюємо кармани за допомогою фотолітографії.

Б – наносимо тонкі плівки діелектриків SiO2 - червоний, SiN – рожевий.

в – створюємо псевдо-підкладку 2 з полікристалічного кремнію, н-типа

По лінії АА(червоній плівці) за шліфуємо монокристалічну підкладку

Г – результат. В полікристалевій підкладці існують монокристалічні ділянки кремнію 1, ізольовані між собою діелектричними плівками 3 та 4. Завдяки цьому у монокристалічних ділянках можна створювати інтегральні ланцюги згідно з електричною принциповою схемою.

Переваги: мінімальний рівень паразитних зв’язків

Недоліки: складність і коштовність технології.

2. За допомогою діелектричного середовища

А – вихідна структура: підкладка монокристалічного кремнію н-типу 1 з контактним шаром в неї 4 і діелектричною плівкою 3.

Б – літографія чипів з вихідною структурою

В – встановлення допоміжної пластини. Зашліфовування підкладки по плоскості А-А.

Г - проміжній результат

Д – занурення чипів у підкладку із скла 2.

Результат: у середовище високоякісного діелектрика «Скло», розташоване ділянки з монокристалічним кремнієм ізоляції і контактом.

Переваги і недоліки ті ж самі.

3. Використання колекторної ізолюючої дифузії

Вихідна структура.

Створюємо колекторне кільце 4, яке охоплює структуру біполярного транзистора

Створення емітерної області 5.

Створення контактів емітер, база, колектор.

Результат: ми маємо таку структуру, де емітерна та базова області охоплені з усіх боків колекторною областю. Колекторна область створює з підкладкою п-н перехід. Для ізоляції транзисторної структури від підкладки ми включаємо цей п-н перехід у зворотному стані.

Аналізуємо зворотню гілку ВАХ такого переходу.

Опір такої ізоляції складає десятки мегаом. Ми ізолювали транзистор від підкладки. Недоліки: дещо більший рівень паразитних зв’язків ніж у попередніх способах.

Переваги: більша технологічність.

Фрагмент інтегрального ланцюга МДН інтегральної схеми

Основні технологічні процеси

• Дифузія домішок

• Іонна імплантація

• Епітаксія

• Технологія тонких плівок

• Літографія

Схема установки іонного легування

Метод заснований на використанні потоку іонів певної речовини з високою енергією для впровадження їх у при поверхневий шар монокристалічної підкладки майбутньої ІМС. Використовують сфокусований чи розфокусований потік іонів. Вирішується задача: провадження тільки одного сорту іонів певної концентрації на певну глибину підкладки однорідно по поверхні. На плакаті зображено:

1. Джерело іонів – електронна гармата.

2. Фокусуюча і прискорюючи іони система

3. Діафрагми – електростатична система формування перетину пучка іонів.

4. Електро-магнітний сепаратор.

5. Відхиляючі

6. Пластини

7. Скануюча система

8. Вимірювач іонного струму(дози іонів)

9. Підкладки ІМС.

10. Система загрузки-вигрузки підкладок.

Електронна гармата 1 генерує електронний промінь електронів з високою енергією. Електрони з високою енергією. Іонізують молекули робочого газу, який містить домішки, на приклад: пара Р₂О₅. Молекули цього зєднання електрони іонізують і створюють іони фосфору. Іони заряджені, тому ми можемо ними керувати за допомогою електричних і магнітних полів. Системою 2 ми прискорюємо ці іони до необхідної нам енергії, яка приблизно 200-250кеВ, одночасно фокусуємо потік іонів чи формуємо його перетин чи не фокусуємо. В процес сі формування приймають участь електро - статичні діафрагми. Сформований потік іонів складається не тільки з основних іонів, а й із зайвих, які не повинні дійти до підкладки. Їх необхідно видалити з потоку робочих іонів. Для цього використовують електро-магнітний сепаратор 4. Принцип сепарації за різницею маси іонів. Тобто маса іона робочого/маса іона зайвого *100 – дозвільна спроможність сепаратора повинна бути якнайбільшим. Тобто сепаратор повинен відчувати найменшу різницю мас цих іонів, бо розрахунки ступеня легування підкладки іонами враховує лише робочі іони і виходячи з цього визначаються властивості імплантованих шарів.

5,6,7 керує положенням променя і виконує сканування поверхні підкладки.

8 – вимірює фактично кількість іонів і дозволяє перераховувати її у щільність іонного струму.

10 – дозволяє в стерильних умовах виконувати загрузку-вигрузку підкладок 9. Стерильні умови обов’язкові.

Результати і технологія такої обробки: іони маючи велику енергію впроваджуються в кришталеву градку при поверхневого шару підкладки. Утворюється п-н перехід. Глибина цього шару товщиною 1 мкм. Недоліки такої ситуації – руйнування кришталевої градки в імплантованому шарі майже до аморфного стану.

Nд=10^4,5 – у кремнії, то після імплантації 10^10-11см^-2. В такому шарі неможливо формувати активні прилади(але контакти можливо). Для усунення цієї ситуації використовують ізотермічний відпал підкладки після імплантації іонів. Його проводять при температурі відпалу близько 500 градусов., 120 хвилин. У процесі відпалу відбувається рекристалізація імплантованого шару і концентрація дефектів зменшується до 10⁷см^-2.

Існує 2 варіанта іонної імплантації. Вони відрізняються принципом сепарації, а саме:

1. Сепарація прискореного пучка іонів.

2. Сепарація іонів до прискорення – сепаруємо мало енергетичні іони. Конструкція установки портативна, але установку використовують для малосерійного виробництва імплантованих шарів.

Техніка безпеки. При імплантації з потужними сепараторами і високоенергетичними іонами бомбардування підкладок може викликати рентгенівське випромінювання. Для цього установки мають спеціальний захист. Який необхідно перевіряти на дію.

Дифузія домішок

П

н

ринцип технології - впровадження в монокристалічні підкладки атомів домішок, енергія яких підвищена термічним шляхом.

Закон Фіка

dn/dt=-D*S*dC/dX – темп зміни концентрації носіїв заряду, D – коефіцієнт дифузії, швидкість проникнення атомів через поверхню за одиницю часу, S – площа, N – концентрація домішки, Х – координата у глибину підкладки

dN/dt=D*d²N/dX² D=const

Існує 2 варіанти проведення цього процесу, які відрізняються типом джерела домішки:

• Нескінченного джерела

• Дифузія із кінцевого джерела

12.04.12

E=kTдиф

Тдиф=Тплав-200*С – діапазон температури дифузії

Обирають у зв’язку із Д(Т) – коефіцієнта дифузії, швидкість впровадження легуючих атомів через одиницю площі у напрямку координати х м²/с

В процесі дифузії концентрація домішок змінюється за законами, пов’язаними з попередніми позначеннями. При будь-якому законі у дифузійному шарі виникає градієнт концентрації домішки, який створює в ньому електричне поле. Якщо дифузійний шар буде, на приклад, базою транзистора, то існування електричного поля у базі надає можливість керувати динамічними властивостями транзистора(робоча частота, «польові» транзистори).

Розглянемо приклад створення транзисторної структури методом дифузії домішок нескінченного джерела. При цьому, при нескінченному джерелі домішок, то її розповсюдження у кришталевій градці буде підкорятись закону:

N(x,t)=N₀erfc x/(2sqrt(Dt)) (3)

X=A sqrt(Dt) – глибина проникнення.

Схема установки подібна методу створення тонких плівок хімічними методами.