Практика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

Изучение планарно-эпитаксиальной технологии

Настоящая лабораторная работа не нуждается в подробном описании и методических указаниях. Для её выполнения достаточно по любому учебнику или лекциям ознакомиться с основными технологическими операциями технологии изготовления интегральных схем – фотолитографией, диффузией примесей, эпитаксией, напылением, а также с порядком применения этих операций.

Войдя в программу, следует выбрать режим «обучение» и внимательно проследить за изготовлением интегральной схемы на биполярных транзисторах. Оставайтесь в этом режиме до тех пор, пока не научитесь правильно называть очередной этап изготовления.

Завершив работу в режиме «обучение», если это предлагается сделать преподавателем, перейдите к режиму «формирование структуры». Здесь можно самостоятельно изготовить интегральную схему, причём программа будет указывать на допущенные ошибки.

Завершается работа сдачей «зачёта» в режиме «зачёт».

Удовлетворительным результатом можно считать не более 1 ошибки при времени выполнения задания не более нескольких минут.

Контрольные вопросы

1.Как осуществляется фотолитография?

2.Как осуществляется диффузия примесей?

3.Как осуществляется эпитаксия?

4.Чем отличается диффузионный примесный слой от эпитаксиального?

5.Что такое фоторезист, каковы его основные свойства?

6.Какие вещества подвергаются травлению при изготовлении ИС?

7.От чего зависит минимальный топологический размер, т.е. наименьший размер частей элементов ИС?

8.Как осуществляется изоляция элементов от подложки и друг от друга?

9.Какой слой выполняет функцию маски при диффузии примесей?

10.Каково назначение скрытого n+ - слоя интегрального биполярного транзистора?

4

где t01 – время изменения состояния 0 в состояние 1, t10 – время изменения состояния 1 в состояние 0. Эти времена измеряются в реальных условиях на входе и на выходе, когда источником сигнала и нагрузкой являются другие такие же ключи.

Среднее время переключения определяет скорость передачи сигнала в последовательных цепочках ключей, характерных для ЦИС. С этим связано другое название параметра – «среднее время задержки распространения сигнала». Очевидно, что параметр t определяет быстродействие ЦИС и цифровой электронной аппаратуры в целом. Но, ни сама по себе малая потребляемая мощность ключей (при невысоком быстродействии), ни высокое быстродействие (при недостаточно малой потребляемой мощности) не позволяют построить ЦИС с высокими качественными показателями. Поэтому качество ключей лучше всего характеризует комплексный критерий качества – средняя работа переключения P х t = Pt. Совершенствование ключей направлено, прежде всего, на уменьшение их Pt. К началу 80х годов был достигнут уровень Pt порядка 100 пДж, к началу 90х – 1 пДж, в настоящее время уже превзойдён уровень Pt 0,01 пДж. Благодаря этим достижениям появились такие сверхбольшие ЦИС, как многоядерные процессоры компьютеров, содержащие миллиарды транзисторов.

Если предположить, что в ЦИС происходит изменение состояния всех m КМДП-ключей на каждом периоде тактовой частоты f , то рассеиваемая в виде тепла мощность составит величину

Поэтому, не уменьшая количество ключей ЦИС и тактовую частоту, при ограниченном выделении тепла, совершенствовать ЦИС можно только уменьшая Pt.

Уменьшение Pt достигается, прежде всего, сокращением размеров транзисторов. При уменьшении площади р-n переходов биполярного транзистора уменьшаются его барьерные емкости, а также барьерная емкость перехода коллектор-подложка. При уменьшении площади полевого МДП-транзистора уменьшаются все междуэлектродные емкости, а также барьерная емкость перехода транзистор-подложка. Именно эти емкости, требующие времени на заряд и разряд в процессе работы ключей, ограничивают их быстродействие. Поэтому важнейшим технологическим параметром является минимальный топологический размер w, т.е. тот минимальный размер частей транзисторов, при котором еще обеспечиваются необходимые их характеристики и который может быть получен на

6

предприятии – изготовителе.

У большинства типов транзисторных ключей в процессе их переключения указанные емкости заряжаются и разряжаются с перепадом напряжения, близким к напряжению источника питания U. Таким образом, каждое изменение состояния сопровождается превращением в тепло энергии CU2/2, где С – суммарная емкость ключа, т.е. общая емкость транзисторов и соединений, приходящихся на один ключ. При этом полное переключение, т.е. изменение состояния и возврат в исходное состояние приводит к удвоенной величине CU2. Этот минимум достижим только в КМДП-ключах.

Схема КМДП – ключа приведена на рис. 1. Здесь ёмкость С условно отображает суммарную ёмкость ключа. В МДП-транзисторах, в зависимости от знака и величины напряжения на затворе, полупроводник под затвором может обогащаться или обедняться подвижными носителями заряда. При напряжении по модулю больше порогового Uо тип проводимости изменяется на противоположный и образуется канал – слой полупроводника, по которому может протекать ток от истока к стоку. Комплементарной называют такую пару МДП-транзисторов, в одном из которых образуется канал n-типа при положительном, а в другом – канал р-типа при отрицательном напряжении на затворе, рис. 2.

Так как затворы транзисторов соединены и образуют вход, входное напряжение открывает только n-канальный или только р-канальный транзистор. При 1 на входе (высокий потенциал) канал существует только в n-канальном, а при 0 на входе только в р-канальном МДП-транзисторе. Поэтому один из транзисторов всегда закрыт и в обоих статических состояниях ток от источника не потребляется. Расход энергии и выделение тепла возникают только при изменениях состояния, чем и объясняется исключительно низкое энергопотребление и повсеместное применение КМДП-ключей в современной

7

электронике. Следует помнить, что в емкости энергия не расходуется – она накапливается в ней при заряде, когда открывается р-канальный транзистор и возвращается при разряде через открывшийся n-канальный транзистор. Ток заряда и разряда протекают через каналы транзисторов, обладающие активным сопротивлением, где и выделяется тепло. Следовательно, для КМДП-ключа

Pt = CU2 (4)

Соотношение (4) объясняет обе основные тенденции в разработке ЦИС – стремление к уменьшению минимального топологического размера w и, следовательно, ёмкости и к уменьшению напряжения источника питания. В настоящее время фотолитография обеспечивает w примерно 20 – 10 нм, а напряжение источника питания ЦИС с большой степенью интеграции составляет менее 1 В.

4.Описание исследуемой схемы.

Висследуемой схеме (рис. 3) применены три одинаковых КМДП-ключа, включенные один за другим. Этим обеспечиваются типичные для ЦИС условия на входе и на выходе среднего из этих трех ключей – его источником сигнала и нагрузкой, как обычно в ЦИС, являются другие такие же ключи.

Рис. 3

На рис.4 показано, как по временным диаграммам определить t10 и t01 среднего ключа.

рис. 4

8

5.Методические указания по выполнению работы

1.Два раза щелкнуть на ярлык CMOS на рабочем столе. На экране появится исходная исследуемая схема рис.3. Войти в меню file / save as и к имени файла добавить номер группы. Сохранить файл в папке «студент». Если при выполнении работы будет допущена ошибка, закрыть программу и начать работу заново.

2.Получить передаточную характеристику Uвых=f(Uвх), для чего в главном меню выбрать Analysis, затем DC и в появившемся окне – Run. Зарисовать характеристику, указать на ней значения выходного напряжения в Вольтах для

логической 1 Uвых макс, для логического 0 Uвых мин, для входного напряжения, при котором изменяется состояние ключа (порогового напряжения U0).

3. Закрыть окно с характеристикой кликом на нижнем кресте в правом верхнем углу. Точно совместить курсор с батареей питания V1. Выписать из появившегося окна значение потребляемого тока статического состояния ISource. Так как это общий ток всех трех ключей, поделить это значение на 3, что будет соответствовать потребляемому одним ключом току Iстат. Рассчитать потребляемую ключом мощность статического состояния

4.Перейти к режиму переключений, выбрав Analysis, Transient, Run. На появившихся временных диаграммах выходной диаграммой исследуемого среднего ключа является зеленая диаграмма V4. Определить по ней, как это показано на рис.4, t01 и t10 и рассчитать согласно формуле (2) среднее время переключения t.

5.Действуя, как в п.3, закрыть окно с временными диаграммами и определить средний потребляемый ток исследуемого ключа I = ISource/3 в режиме переключений. Рассчитать среднюю потребляемую ключом при этом мощность

6.Рассчитать Pt по найденным в п. 5 и п. 4 значениям P и t.

7.Рассчитать Pрасс ЦИС по формуле (3). Принять количество ключей m = 108. Тактовая частота (количество переключений в секунду), согласно временным диаграммам, составляет f = 200 МГц. Считать, что на каждом такте происходит переключение всех m ключей.

8.Двойным кликом на любом из нижних транзисторов (это одинаковые n-канальные МДП модели Q1) вызвать окно с параметрами модели Q1. Согласно заданному преподавателем варианту, уменьшить в n раз (табл.1) все

9

три основные ёмкости транзистора: CGSO – ёмкость затвор-исток; CGDO – ёмкость затвор-сток; CGBO – ёмкость затвор-подложка.

Таблица 1

Это достигается исправлением величин в трёх окошках с указанными названиями. Исправления подтвердить, кликнув ОК. Тем самым приближённо моделируется уменьшение размеров транзистора, достигаемое уменьшением минимального топологического размера w. Из этого же окна выписать значение длины канала L. В дальнейшем считать w = L.

9.Повторить действия п.8 для модели Q4 верхних р-канальных транзисторов.

10.При изменённых параметрах вновь получить временные диаграммы (Analysis, Transient, Run), повторить действия п.п. 4, 5, 6, найти Pизмtизм.

11.Рассчитать минимальный топологический размер видоизмененной схемы

wизм. Так как площадь и ёмкость пропорциональны квадрату линейного размера, c учётом (4) формула для этого расчёта имеет вид:

wизм = w(Pизмtизм/Pt)1/2

6. Содержание отчета

1.Название и цель работы;

2.Рисунок передаточной характеристики с указанием напряжения логической 1

Uвых макс, логического 0 Uвых мин, входного напряжения, при котором изменяется состояние ключа (порогового напряжения U0);

3. Значения:

потребляемого тока статического состояния ключа Iстат;

потребляемой мощности статического состояния ключа Рстат ;

времен t01 и t10 и среднего времени переключения ключа t;

средней потребляемой ключом мощности в процессе переключения ключа Р;

10