ПИМС и МП. Лекции, задания / ЛабПрактПимс

21

указанному через разделитель «/». Так обозначение «4/?» соответствует заданному току 4 mA, а межэлектродное сопротивление Rke(Oм) определяется, как сопутствующее значение.

3.6. Последовательность проектирования.

Выполняя задание, примите к сведению соответствие структуры предъявленным требованиям по электрической прочности p–n -переходов и соответствующую оценку исключите из рассмотрения.

Проектирование рекомендуется выполнить в следующем порядке:

–воспроизведите эскизы структуры и топологии прибора;

–определитесь с распределениями примесей в слоях структуры и структурами переходов;

–оцените рабочие значения ширин p–n -переходов и толщин слоёв структуры;

–оцените и проставьте на структуре и топологии прибора защитные промежутки между границами областей;

–оцените рациональное значение плотности тока в эмиттере;

–оцените предельные значения размеров и необходимую форму эмиттера, контактов к базе, коллектору;

–применяя размеры защитных промежутков и полученные размеры эмиттерной области, определите недостающие размеры

–оцените коэффициент передачи тока базы транзистора с учетом боковой инжекции эмиттера, полагая перенос с боковой поверхности через базу с эффективной её шириной Wbnэф;

–оцените сопротивление между электродами коллектор-база БПТ в

режиме насыщения (Rke);

-определите и представьте на Т-образной схеме замещения ожидаемые значения параметров её элементов.

В результате выполнения предложенной последовательности формируется база выходных параметров заявленных в задании на работу. Повторяя оценки для двух дополнительных значений рабочего тока, образуют два дополнительных набора выходных параметров, с применением которых следует построить графические зависимости определяемых выходных параметров от величины рабочего тока БПТ.

Расчётные соотношения по выполнению оценок по приведенной последовательности сведены в приложение А настоящего руководства.

Расчётные соотношения по выполнению оценок и рассмотренная методика расчета и выбора размеров, расчёта параметров БПТ положены в основу учебной диалоговой расчётно-тестирующей программы «ИсследБпт». Работа выполняется в форме диалога исполнителя с запросами тестирующей программы на предмет объявления определяющих параметров по запросу. По корректным ответам программа «ИсследБпт» выполняет расчёт

22

значений запрашиваемых параметров и выводит их числовые значения. Руководство по пользованию программой приведено в приложении Б3.

Однократно пройдя тестирование по совокупности запросов корректными ответами, исполнитель получает право доступа к результатам расчёта значений для иных задаваемых значений рабочих токов Ip или сопротивлений Rke без диалогового тестирования.

На выходе программы формируется отчет с составом материалов, предусмотренных требованиями к содержанию отчёта. Исполнителю работы остаётся подготовить ответы на вопросы самоконтроля, собрать отчёт по работе и исполнить заключение по объяснению полученных зависимостей.

3.7. Содержание отчета

Отчет по работе оформляется один на бригаду двух исполнителей. Форма титульного листа приведена в приложении руководства к работе 1.

Вотчёте следует представить:

–наименование;

–цель работы;

–задание на работу;

–краткую характеристику среды выполнения работы;

–результаты работы:

а)топологическую конфигурацию и структуру БПТ (с указанием введенных обозначений);

б)последовательность проектирования (с расчётными соотношениями, дополненными цифровыми значениями основного варианта);

в)табличное представление значений выходных параметров задания для трёх точек и графические формы исследуемых зависимостей БПТ;

– заключение (с сопоставлением и объяснением полученных результатов).

3.8. Вопросы для самоконтроля

3.8.1.Способны ли Вы характеризовать структуру ЭПСБ по распределению примеси, профилю областей и типам переходов между ними ?

3.8.2.Способны ли Вы характеризовать структуру ЭПСК по распределению примеси, профилю областей и типам переходов между ними ?

3.8.3.Какими свойствами структуры и как определяется допустимая плотность тока в структуре БПТ? Критерий оценки допустимой плотности?

3.8.4.Чем объясняются ограничения на форму и соотношение размеров топологии эмиттера?

3.8.5.Чем объяснить необходимость увеличения зазора между переходами эмиттер-база и коллектор-база в сравнении с иными зазорами?

3.8.6.Какое решение следует принять, если длина и ширина однополоскового эмиттера не удовлетворяет требованию по заданному току?

3.8.7.Какие решения по топологии следует принимать для улучшения свойств БПТ, как статического ключа ИМС?

23

3.8.8.Какие решения следует применять в топологии БПТ для повышения быстродействия по переключению?

3.8.9.Объясните связь и противоречие между удовлетворением требований к ключевым свойствам БПТ с удовлетворением требований к иным функциональным параметрам прибора.

3.8.10.Как изменяются рабочие токи и ключевые свойства БПТ при уменьшении топологических размеров?

Приложение А3 Соотношения согласования размеров и параметров БПТ

Путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_3.

24

Лабораторная работа №4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗМЕРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

ВКОНСТРУКЦИЯХ П/П РЕЗИСТОРОВ

4.1.Цель работы

Освоить методику проектирования топологии резисторов п/п микросхем (ИМС), исследовать зависимости размеров и частотного потолка применения резистора от номинала и допустимого производственного отклонения.

4.2. Общие сведения

Проектирование топологии п/п резисторов предполагает использование каталога топологических конфигураций, сведений о поперечном разрезе слоя (структуре), в котором размещается резистор, технологических параметрах слоя и плоскостных размеров, функциональных параметрах резистора.

Топологические конфигурации резисторов ограничены четырьмя модификациями, сведения о которых приведены в теоретической части изучаемой дисциплины и приложении А4 выполняемой работы. В лабораторной работе исследуются резисторы, исполняемые в двух вариантах технологических структур (с эпитаксиальным коллекторным слоем (ЭПСК) и структура с эпитаксиальным базовым слоем (ЭПСБ)). Каждая из указанных структур позволяет исполнить резистор соответствующего номинала в одном из четырех– пяти слоев (эмиттерном (Е-слой), базовом (В-слой), базовом слое под эмиттером (ВР – базовый pinch-слой), коллекторном (С-слой), коллекторном слое под базой (СР – коллекторный pinch-слой)).

В проектировании резисторов, изолируемых p–n -переходом, необходимо учитывать полярность и величину напряжения на резистивном слое относительно несущего слоя. Размерные зависимости резисторов оцениваются и исследуются при заданных обратных смещениях на изолирующих p–n -переходах.

Размеры топологических конфигураций п/п резисторов выбираются и определяются с целью обеспечить необходимые параметры назначения. К числу этих параметров относятся:

–номинал сопротивления;

–технологическая погрешность изготовления резистора;

–рассеиваемая мощность;

–параметры схемы замещения резистора в частотно-временной области. Ограничение по мощности рассеяния для п/п резисторов во многих

случаях не является существенным, так как теплопроводность кремния достаточно высока, чтобы перегрев резисторов относительно других элементов на кристалле МС считать существенным (превышающим (2–3) градуса).

25

Ёмкости схемы замещения резистора оцениваются, как сопутствующие параметры. Номинал и допуск подлежат учёту в проектировании.

Исходными данными к расчету п/п резисторов являются:

–каталог из четырех топологических модификаций, отличающихся формой контактной области и контакта к п/п слою;

–номинал сопротивления резистора – R [ Ом];

– допустимое относительное отклонение сопротивления резистора от номинала – δR;

–сопротивление квадрата резистивного слоя (одного из перечисленных выше слоев транзисторной структуры) – R □ [Ом];

–удельное переходное сопротивление контактов к п/п слою – R o

[Ом* см2];

–ширина изолирующих p–n -переходов W0ij при нулевом внешнем напряжении по криволинейным боковым и плоским донным и перекрывающим поверхностям соответственно, [см];

–F kij – контактные потенциалы соответствующих изолирующих p–n - переходов, где ij индексы p–n -переходов эмиттер-база «eb», коллектор-база «cb», коллектор-подложка «cp», разделительной изоляции «vr», В;

–X eb, Xcb, Xсp, Xr – глубины расположения переходов соответствующей структуры, см;

–U i – рабочее обратное напряжение на изолирующих p–n -переходах резистивного слоя, В;

–относительный технологический допуск на сопротивление квадрата резистивного слоя – δR□;

–da – технологический допуск на воспроизведение линейных размеров топологических фигур по длине и ширине, см;

–dC – технологический допуск на совмещение смежных топологических фигур, cм;

–глубина проникновения электрического поля,

Часть исходных данных из приведенного перечня является единой для всех исполнителей работы. Другая часть данных используется для образования индивидуальных вариантов. Функциональные зависимости между размерами и определяющими их функциональными параметрами исследуются в работе. В качестве определяющих параметров используются номинал резистора R и допустимое относительное отклонение от номинала δR. В качестве функций от определяющих параметров приняты габаритные линейные размеры резистора (L, b), площадь, занимаемая резистором (S), емкости схемы замещения резистора.

4.3. Задание на лабораторную работу

4.3.1. Выполнить эскиз конструкции исследуемого резистора в (2–3) проекциях с простановкой обозначений размеров.

26

4.3.2.Произвести расчет размеров, площади, емкости на несущий слой, граничной частоты по модели замещения для сочетаний номинала R и трёх значений допуска δR (δR, 0.δ R, 1.2 δR) и трёх значений номинала R (R/2, R, 2R) при допуске δR.

4.3.3.Построить графические зависимости: L=L(R, δR); D=D(R, δR);

S=S(R, δR);

Cr=Cr(R, δR); Fgr=Fgr(R, δR),

где S – габаритная площадь резистора на кристалле с учетом разделительных зон; Cr – полная емкость резистора; Fgr – верхняя граничная частота резистора.

4.3.4. Оформить и представить отчет по работе с объяснениями форм полученных зависимостей.

4.4. Технические средства исполнения работы.

Работа исполняется либо в среде обучающей программы «ИсследРез», а при невозможности, расчётно-графическим способом с применением материалов приложения А4 с предпочтительным применением средств доступного диалогового пакета выполнения расчётов и подготовки текстовых

играфических документов.

4.5.Варианты индивидуальных заданий.

Варианты заданий задаются двумя позициями:

–первая позиция соответствует номеру в табл. 4.1;

–вторая позиция соответствует варианту глубины разделительных переходов структуры по п. 8. Исходные значения параметров R, Rк, δR резистивного слоя приведены в табл. 4.1. Значения параметров полного перечня, не вошедшие в табл. 4.1, принимаются следующие:

–Rob = Rok = Roe = 400 Ом*мкм2;

–W оeb=0.1, Wocb=0.2, Wocr=0.3, Wocp=0.3 [мкм];

–Fkij=0.7 [B] ( для всех p-n переходов);

–для структуры:

–ЭПСK_1 – 1, 2, 6, 8 мкм;

–ЭПСK_2 – 1, 3, 7, 8,5 мкм

–ЭПСБ_1 – 1, 2, 6, 4 мкм;

–ЭПСБ_2 – 1, 3, 7, 5 мкм.

–4 B; 10) 0.07; 11) 0,2 мкм; 12) 0.3 мкм; 13) 0,1 мкм

Пример кодирования варианта.

Вариант 21_2 – соответствует резистору, исполняемому в базовом слое структуры ЭПСБ без перекрытия сверху эмиттерным слоем с глубинами переходов 1,3, 7, 5 мкм с исходными значениями параметров R, RK, dR по номеру 21 табл. 4.1.

4.6. Последовательность проектирования

Проектирование рекомендуется выполнить в следующем порядке:

–воспроизведите эскизы структуры и топологии элемента;

–приведите сводку исходных данных, распределив их в три набора: а) параметры функционального назначения; б) параметры структуры; в) размерные технологические ограничения.

–оцените рабочее значение ширины изолирующего p–n -перехода и толщину резистивного слоя структуры с учётом перехода;

–оцените и проставьте на структуре и топологии резистора защитные промежутки между границами областей и минимально допустимые размеры топологических фрагментов;

–примите для итерационного приближения к необходимым значениям минимальный технологический размер контакта к резистору;

28

–применяя размеры защитных промежутков и размеры изоляционного слоя, определите недостающие размеры контактной области и ширину резистора;

–оцените коэффициент формы контактной области;

–оцените коэффициент формы резистивной полосы с учётом коэффициента формы контактной области и длину резистивной полосы;

–определите составляющие производственной погрешности сопротивления резистора;

–сравните суммарную производственную погрешность с заданной нормой δR;

−по результатам сравнения примите решение о корректировке принятых размеров контактов и повторите оценку всех остальных размеров конструкции резистора;

Примечание: Итогом проектирования должно быть удовлетворение требований по производственному допуску с отклонением не более 1%.

–определите габаритную площадь резистора с учётом технологических ограничений структуры резистора;

–определите значения удельной ёмкости на изолирующих поверхностях резистора (по плоской поверхности дна и, возможно верхнего покрытия для pinch-структур, о также боковых криволинейных поверхностей);

–определите площади плоских и криволинейных изолирующих поверхностей;

–определите полную ёмкость для схемы замещения представления резистора в частотно-временной области;

–повторите расчёты для получения набора значений для анализа зависимостей в соответствии с заданием, сведите их в таблицу результатов;

–постройте графические зависимости и объясните полученные результаты исследования;

–оформите и сдайте отчёт по работе.

Расчётные соотношения по выполнению оценок по приведенной последовательности сведены в приложение А4 настоящего руководства.

Расчётные соотношения по выполнению оценок и рассмотренная методика расчета и выбора размеров, расчёта ёмкости и граничной частоты положены в основу учебной программы «ИсследРез». Работа с программой выполняется в форме диалога. По корректным ответам программа «ИсследРез», выполняет расчёт значений запрашиваемых параметров и выводит их числовые значения.

Однократно пройдя тестирование по совокупности запросов корректными ответами, исполнитель получает право доступа к форме сводной таблицы исходных данных и результатов расчёта. Выполняя установку в таблице новых значений исходных параметров в таблице и активизируя опе-

29

рацию «Расчёт», исполнитель получает возможность оперативного формирования выходных наборов расчётных значений.

Исполнителю работы необходимо корректно собрать необходимые результаты, подготовить в соответствии с требованиями отчёт и исполнить заключение по объяснению полученных зависимостей.

Подготовьтесь к ответам на вопросы самоконтроля,

4.7. Содержание отчета.

Отчет по работе оформляется бригадой исполнителей и должен содержать:

–наименование;

–цель работы;

–задание на работу;

–краткую характеристику среды выполнения работы;

–результаты работы;

–эскизы структуры и топологии резистора с принятыми обозначениями размеров;

–сводку расчетных соотношений с результатами расчета (если расчёты выполняются без программы «ИсследРез») и сводку параметров, как функций параметров тестов;

–исследуемые графические зависимости параметров резистора;

–объяснением полученных результатов.

4.8. Вопросы для самоконтроля

4.8.1.Какие параметры функционального назначения характеризуют полупроводниковый резистор?

4.8.2.Какие параметры структуры необходимы для проектирования ре-

зистора?

4.8.3.Чем определяются минимальные размеры диффузионного резистора формы 1?

4.8.4.Что учитывает коэффициент формы контактной области в отличие от контактного перехода?

4.8.5.Чем объяснить отнесение сопротивления контактного перехода в технологическую погрешность?

4.8.6.Как определить выбор формы контактной области в зависимости от номинала сопротивления резистора ?

4.8.7.Как повлияет на граничную частоту резистора переход от применения базового диффузионного слоя к применению эпитаксиального коллекторного слоя ?

4.8.8.Как влияет допуск на размеры резистора и его граничную частоту?

4.8.9.Как влияет увеличение номинала резистора на его размера и граничную частоту?

4.8.10.Что необходимо предпринять для снижения вклада контактной области и сопротивления контактного перехода в производственную погрешность сопротивления резистора?

30

Приложение А4 Соотношения согласования размеров и параметров п/п резисторов

Путь доступа: Cesir/AOS/tla/УМК ПИМСиМП/ УчебноМетодПособ/ ЛабЦикл/ПриложенияЛабРаб_4.