Министерство высшего и среднего специального образования РСФСР

Ленинградский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнический институт имени В.И.Ульянова (Ленина)

Методические указания

по курсовому проекту

“Технология электронных приборов”

Ленинград 1990

УДК 621.38

Методические указания по курсовому проекту "Технология электронных приборов"/Сост.; Н.В.Качан, М.К.Ковалева, Л.Е.Ромадина, В.И.Шаповалов; ЛЭТИ. - Л., 1990. - 32 с.

Содержатся данные об активных и пассивных элементах интег­ральных микросхем, даны расчеты пассивных элементов, а также приведены конструкторско-технологические ограничения и правила разработки топологии интегральных микросхем. Предназначены для студентов специальностей 20.01 и 20.04.

Утверждено редакционно-издательским советом института в качестве методических указаний.

1. Классификация интегральных микросхем

По конструктивно-технологическому исполнению интегральные микросхемы (ИМС) подразделяются на полупроводниковые, совмещен­ные и гибридные. Полупроводниковой называется интегральная микро­схема (ИМС), все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Гибридная ин­тегральная микросхема (ГИС) содержит на поверхности подложки пленочные пассивные элементы (резисторы, конденсаторы), а также дискретные элементы (корпусные диоды, транзисторы). В зависимос­ти от толщины пленок и способа их получения ГИС подразделяются на тонко- и толстопленочные. Тонкопленочная ГИС- ИМС с толщиной пленок до 1 мкм, пассивные элементы которой изготавливаются мето­дами вакуумного напыления и ионно-плазменного распыления. Толстопленочная ГИС-ИМС с толщиной пленок 10 ÷ 70 мкм, пассивные эле­менты которой изготавливаются методами трафаретной печати (сеткография). В совмещенных ИМС активные элементы выполнены в припо­верхностном слое полупроводниковой подложки, а пассивные элемен­та нанесены в виде пленок на покрытую диэлектриком поверхность той же полупроводниковой подложки.

2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Цель выполнения курсового проекта

Целью работы над курсовым проектом является приобретение практических навыков по разработке топологии и технологического процесса изготовления ИМС, знакомство с технологической докумен­тацией.

Задача выполнения курсового проекта

Задачей выполнений курсового проекта является разработка конструкции ИМС и технологического маршрута ее производства в соответствии с заданными техническим заданием и принципиальной электрической схемой.

Порядок выполнения курсового проекта

1. Анализ технического задания с целью выявления особенностей ИМС

2. Выбор материалов для изготовления ИМС на основании технологи­ческих и конструктивных ограничений.

3. Расчет пассивных элементов ИМС согласно принципиальной электрической схеме.

4. Разработка топологии и выбор корпуса ИМС.

5. Обоснование конструктивно-технологического варианта изготов­ления ИМС.

6. Оформление расчетно-пояснительной записки объемом примерно 30-40 страниц рукописного текста.

7. Оформление конструкторской документации, которая должна содер­жать как минимум следующую информацию: электрическую схему ИМС, топологический чертеж, сборочный чертеж, структурную схе­му технологического процесса, чертежи фотошаблонов или масок.

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРХХЕМЫ

3.1. Правила проектирования топологии полупроводниковой ИМС

К разработке топологии приступают после того, как определе­ны форма и геометрические размеры элементов ИМС. Для пассивных элементов проводится расчет. Формы и размеры активных элементов, токоведущих дорожек, контактных площадок, а также расстояния меж­ду ними выбирают, исходя из минимально допустимых размеров, при­веденных в прил. 1

Последовательность разработки:

1) проектирование изолированных областей;

2) размещение элементов на кристалле;

3) разработка эскиза топологии.

Правила проектирования изолированных областей

1. Диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно расположить в одной изолированной области, которая подключается к контактной площадке для подачи напряжения питания схемы.

2. В этой же области целесообразно разместить транзисторы типа n-p-n , коллекторы которых непосредственно подсоедине­ны к источнику питания.

3. Резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях.

4. Транзисторы типа n-p-n , коллекторы которых соеди­нены, можно располагать в одной изолированной области.

5. Другие транзисторы, кроме указанных в пп. 2 и 4 необхо­димо поместить в отдельные изолированные области.

6. Для схем с полупроводниковой подложкой под каждой кон­тактной площадкой, за исключением площадки с наиболее отрицатель­ным потенциалом, следует создать изолированную область.

7. Все диоды на основе перехода эмиттер-база можно размес­тить в одной области, а на основе база-коллектор - в отдельных областях.

8. Для диффузионных конденсаторов, как и для диффузионных перемычек, требуются отдельные области.

Правила размещения элементов ИМС на кристалле

После определения количества изолированных областей присту­пают к их размещению в нужном порядке, размещению элементов, соединению элементов между собой и контактными площадками. При этом необходимо придерживаться следующих правил:

1. При размещении элементов необходимо строго учитывать ограничения из прил. 1.

2. Резисторы с большей мощностью не следует располагать вблизи активных элементов.

3. Диффузионные резисторы можно пересекать поверх слоя окси­ да токоведущей дорожкой.

4. Форма и место расположения конденсатора не должны быть критичными.

5. Если не удается избежать пересечения токоведущих дорожек, то их следует выполнять с помощью диффузионных перемычек или до­полнительного слоя изоляции между дорожками.

6. Нумерация контактных площадок проводится против часовой стрелки. Их располагают по периметру кристалла или по двум про­тивоположным сторонам в зависимости от типа выбранного корпуса.

7. Фигуры совмещения располагают одной - двумя группами на свободном месте кристалла.

Разработка эскиза топологии

1. Вычертить принципиальную электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности (в соответствии с цоколевкой корпуса). При этом следует стремиться, с одной стороны, к минимизации числа пересечений, с другой сто­роны, к минимизации длины проводников, находя, в конечном итоге, компромиссное решение.

2. В масштабе 100 : 1 или 200 : 1 в прямоугольной системе координат вычертить эскиз топологии. Придание элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям координат, допус­кать не следует.

3. При вычерчивании общего вида топологии для различных слоев ИМС рекомендуется использовать линии разного цвета.

4. После выбора расположения элементов и контактных площа­док, а также создания рисунка разводки на свободном месте следует расположить фигуры совмещения. Фигуры совмещения могут иметь различную форму (крест, треугольник, квадрат и т.д.). При этом нужно иметь в виду, что на каждом фотошаблоне (маске), кроме первого и последнего, должны быть две фигуры совмещения, распо­ложенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей операцией, большая - с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, на послед­нем - только меньшая.

5. Размер кристалла при стороне до 1 мм выбирают кратным 0,05 мм, а при стороне 1÷ 2 мм - кратным 0,1 мм. Для выбора размера кристалла следует первоначально определить его ориенти­ровочную площадь:

S=k(S_R+S_C+S_а.э+S_K)

где k=2÷3 - коэффициент запаса по площади; S_R, S_C, S_а.э, S_K - площади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами, ак­тивными элементами, контактными площадками.

3.2. Активные элементы в полупроводниковых и совмещенных ИМС

К активным элементам ИМС относятся транзисторы (n-p-n -типа или p-n-p -типа), диоды с p-n -переходом.

Конструктивно-технологические варианты биполярных транзисторов

Биполярный транзистор n-p-n -типа является основным элементом полупроводниковых ИМС. Он обладает лучшими характерис­тиками, чем транзистор p-n-p -типа.

В качестве исходных данных при конструировании транзистора используют заданный типовой технологический процесс изготовления ИМС и электрофизические параметры кремния, т.к. для изготовления полупроводниковых ИМС в основном используется кремний (до 98%).

Выбирают физическую структуру транзистора и значения параметров его основных областей. Типичные параметры различных слоев биполярного

n-p-n -транзистора приведены в табл.1.

Таблица 1

Наименование областей	Концентрация примеси N,см-3	Толщина слоя h,мкм
Подложка p-типа	1,5·1015	200÷400
Скрытый n+-слой	-	2,5÷10
Коллекторная n-область	1016	2,5÷10
Базовая p-область	5·1018	1,5÷2,5
Эмиттерная n+-область	1021	0,5÷2,0
Пленка оксида кремния	-	0,3÷0,6
Металлическая пленка (Al)	-	0,6÷1,0

Широкое распространение получила транзисторная n-p-n структура со скрытым подколлекторным n⁺-слоем (рис.1),

Рис.1

который обеспечивает низкоомный путь току от активной коллектор­ной зоны к подколлекторному контакту (n⁺-область) без снижения пробивного напряжения перехода коллектор-база.

После выбора физической структуры выбирают конфигурацию транзистора; при этом пользуются данными о топологии интегральных биполярных транзисторов [1]. Наиболее распространенные варианты топологии транзисторов показаны на рис.2, где сплошными линиями обозначены границы диффузионных областей, а пунктирными - грани­цы вскрытия окон в диэлектрической пленке для формирования ме­таллических: контактов. Горизонтальные размеры областей транзис­торов определяются минимальным геометрическим размером α (рис. 2), который может обеспечить выбранная технология. Современный уровень технологии обеспечивает минимальный размер α=4 мкм, это - минимальная ширина окна в диэлектрическом слое при фотолито­графии.

Рис.2

Диоды с p-n -переходами

В качестве диодов в полупроводниковых биполярных ИМС исполь­зуются p-n -переходы, образованные любыми областями транзис­торной структуры. Возможные варианты диодного включения транзис­тора показаны на рис.3. В двух первых вариантах используют в ка­честве диодов эмиттерный и коллекторный переходы. Схемы, пред­ставленные на рис.3,в,г,д, реализуются путем соответствующей ком­мутации дорожек межсоединений. Электрические параметры получаемых таким образом диодов различны. Наилучшими динамическими свойст­вами характеризуется диод по схеме “в” [1].

Рис.3