Технология

Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-инвертора


                Министерство образования Российской Федерации

                  Новгородский государственный университет
                           имени Ярослава Мудрого


               Кафедра физики твёрдого тела и микроэлектроники



  Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-
                                  инвертора

                       Курсовая работа по дисциплине:
  Математическое моделирование технологических процессов полупроводниковых
                               приборов и ИМС



                                                                     Принял:
                                                         доцент кафедры ФТТМ
                                                ___________ Б.М. Шишлянников
                                                   “_____” _________ 2000 г.
                                                         доцент кафедры ФТТМ
                                                     ___________ В.Н. Петров
                                                    “_____” _________ 2000 г
                                                                   Выполнил:
                                                            Студент гр. 6031
                                                     ___________ Д.С. Бобров
                                                   “_____” _________ 2000 г.



                              Великий Новгород
                                    2000
       Техническое задание

       1   Предложить   топологический   вариант   и    представить    режим
технологического процесса  изготовления  биполярной  структуры  интегральной
схемы полагая, что локальное легирование производиться методом диффузии.
       2 Представить распределение примесей в отдельных областях  структуры.
Процессы сегрегации примеси при окислении можно не учитывать.
       3 Рассчитать параметры  модели  биполярного  транзистора,  исходя  из
значений слоевых сопротивлений и толщины слоев структуры.
       4  Рассчитать   входные   и   выходные   характеристики   биполярного
транзистора.
       5 Рассчитать  основные  параметры  инвертора,  построенного  на  базе
биполярного   транзистора   (напряжения   логических   уровней,    пороговые
напряжения,   помехоустойчивость   схемы,   времена   задержки   и   средний
потребляемый ток схемы).
       6  Рассчеты  провести  для  номинальных  значений  режимов   процесса
диффузионного легирования  и  для  двух  крайних  значений,  определяемых  с
точностью  поддержания   температур   при   легировании   области   эмиттера
Т=[pic]1.5 0С.
       7    Разрешается    аргументированная    корректировка     параметров
технологического  процесса  или  заданных  слоев,  с  тем   чтобы   получить
приемлемые характеристики схемы.


       Таблица 1- Исходные данные


|Вариант |        |Эмиттер |     |        |База |         |Коллектор |
|        |Примесь |ТДИФ,   |ХJe, |Примесь |NS,  |Толщина, |Nb,       |
|        |        |0С      |мкм  |        |см -3|мкм      |см -3     |
|3       |мышьяк  |1100    |0,4  |бор     |2?10 |0,6      |1,5?10 16 |
|        |        |        |     |        |18   |         |          |

                                 Содержание

Введение    5
1Расчет режимов технологического процесса и распределение примесей после
диффузии    6
  1.1 Распределение примесей в базе    6
  1.2 Расчет режимов базовой диффузии  6
  1.3 Распределение примесей в эмиттере      8
  1.4 Расчет режимов  эмиттерной диффузии    8
2 Расчет слоевых сопротивлений биполярного транзистора  13
3 Расчет основных параметров инвертора 15
Заключение  18
Список используемой литературы    19



       Реферат

       Целью данной работы является моделирование технологического  процесса
изготовления  биполярной  структуры,  затем  ТТЛ-инвертора  на   базе   этой
структуры. В ходе работы необходимо рассчитать основные параметры схемы.
       Пояснительная записка содержит:
       -страниц………………………………………………………………..20;
       -рисунков………………………………………………………………..4;
       -таблиц…………………………………………………………………..3;
       -приложений…………………………………………………………...10.



Введение


       Развитие микроэлектроники и создание новых БИС и СБИС  требует  новых
методов  автоматизированного  проектирования,  основой   которого   является
математическое моделирование всех этапов разработки микросхемы.
       Необходимость    внедрения    гибких    систем    автоматизированного
проектирования  очевидна,  поскольку  проектирование  микросхем  сложный   и
длительный процесс. В настоящее время  используется  сквозное  моделирование
микросхем,  которое  включает  в  себя  расчет  и  анализ  характеристик   и
параметров на следующих уровнях:
       -технологическом;
       -физико-топологическом;
       -электрическом;
       -функционально-логическом.
       В  ходе   данной   работы   нам   необходимо   осуществить   сквозное
проектирование схемы ТТЛ-инвертора на трех первых уровнях.
       Расчеты  предусматривается  произвести  с   использование   программы
расчета  параметров  модели  биполярного  транзистора  Biptran  и  программы
схемотехнического моделирования PSpice.

1Расчет режимов технологического процесса и распределение примесей после
диффузии



       1.1 Распределение примесей в базе


       Распределение  примесей  в   базе   описывается   кривой   Гаусса   и
определяется формулой:

                                [pic],                                   (1)
       где: NS- поверхностная концентрация акцепторов;
                    D- коэффициент диффузии примеси;
                     t- время диффузии;
                    [pic]- глубина залегания коллекторного p-n перехода.
       Поверхностная концентрация определяется по формуле:
                    [pic],                                               (2)
       Из формулы 1 выражаем D2t2:
                                    [pic]
       Тогда имеем следующее выражение для распределения примеси в базе:
                                         [pic],                          (3)
       Результаты  расчета распределения примеси в базе приведены в  таблице
1, а сама кривая представлена на рисунке 1.


       1.2 Расчет режимов базовой диффузии



       К основным параметрам диффузионного процесса относят время диффузии и
температуру диффузии.


       Из выражения 2 найдём произведение D1t1 для  первого  этапа  диффузии
(загонки) по формуле:



       где     [pic]
       В результате получим:

                                    [pic]

       Коэффициент диффузии примеси определяется из выражения Аррениуса:



       где  [pic]=5.1 (для бора) – постоянная диффузии,
               [pic]=3.7 (для бора) – энергия активации,
                k – постоянная Больцмана,
                Т – температура процесса диффузии.
       Таким образом для бора получаем следующее выражение:



           Температуру базовой диффузии при загонке выберем равной 1073К
                (800(С), а при разгонке 1373К (1100(С) тогда:
       [pic]
       [pic]
       [pic]
       [pic]



       1.3 Распределение примесей в эмиттере


       Эмиттерную диффузию ведут  в  одну  стадию  и  распределение  примеси
описывается erfc-функцией:


                                                                         (5)

       где   [pic] - концентрация предельной растворимости мышьяка в кремнии
при заданной температуре  (1100(С);
                    [pic]  - глубина залегания эмиттерного p-n перехода.
      Диффузия мышьяка идёт в неоднородно легированную базовую область,
поэтому расчётная формула усложняется:


                                                                         (6)



       где[pic]   при 1100(С;
                  [pic].
       Подставив эти значения в выражение 6 получим:  [pic].
       Подставляя это значение в выражение 5 получим распределение мышьяка в
эмиттерной области  после  диффузии.  График  распределения  представлен  на
рисунке 1.


       1.4 Расчет режимов  эмиттерной диффузии



       Найдём, по аналогии с  базовой  диффузией,  для  эмиттерной  время  и
температуру процесса. В данном случае температура процесса  задана  (1100(С)
и необходимо найти только  время  диффузии.  Для  этого  необходимо  сначала
определить  коэффициент  диффузии,  который  находится   из   выражения   4.
Постоянная диффузии D0 энергия активации [pic]  для  фосфора  равны  10,5  и
4,08 соответственно. Тогда получаем:



       Решив это уравнение получим:
       [pic]   ;
                                      t=98мин 33сек.
       Так как эмиттерная диффузия проходит при высоких температурах, то она
оказывает влияние на диффузию бора в базовой области.  Необходимо  учитывать
это влияние. Учесть эмиттерную  диффузию  при  базовой  можно  по  следующей
формуле:
           [pic] .                                                       (7)

       Таким образом время разгонки при базовой диффузии  с  учётом  влияния
эмиттерной диффузии t2=53мин 44сек.. В таблице 2 представлены  все  основные
параметры диффузионных процессов.

       Таблица 2 – Параметры диффузионных процессов

|Параметр        |Эмиттерная      |Базовая диффузия                 |
|                |диффузия        |                                 |
|                |                |Загонка         |Разгонка        |
|Dt,    [pic]    |[pic]           |[pic]           |[pic]           |
|D,     [pic]    |[pic]           |[pic]           |[pic]           |
|t               |98мин 33с       |15мин 48с       |53мин 44с*      |


    * - время разгонки, представленное в таблице, уже с учётом эмиттерной
                                  диффузии



         Совмещённое распределение примесей определяется выражением:

                                                                         (8)

       где  [pic],  [pic],  [pic]  -  концентрации  эмиттерной,  базовой   и
коллекторной областей соответственно, в данной точке.
        График совмещённого распределения примесей представлен на рисунке 2.
Таблица 3-Распределение примесей в транзисторной структуре
|Глубина залегания|Распределение    |Распределение    |Суммарное        |
|примеси          |примеси в        |примеси в базе   |распределение    |
|                 |эмиттере         |                 |                 |
|x, см            |N(x), см -3      |N(x), см -3      |N(x), см -3      |
|0                |1,6?10 21        |2?10 18          |1,59?10 21       |
|4?10 –6          |1,17?10 21       |1,98?10 18       |1,17?10 21       |
|8?10 –6          |7,81?10 20       |1,94?10 18       |7,79?10 20       |
|1,2?10 –5        |4,83?10 20       |1,86?10 18       |4,81?10 20       |
|2,8?10 –5        |2,59?10 19       |1,36?10 18       |2,45?10 19       |
|3,2?10 –5        |9,13?10 18       |1,21?10 18       |7,98?10 18       |
|3,6?10 –5        |3,13?10 18       |1,06?10 18       |2,05?10 18       |
|4,8?10 –5        |                 |6,47?10 17       |6,32?10 17       |
|5,6?10 -5        |                 |4,31?10 17       |4,16?10 17       |
|6,4?10 –5        |                 |2,69?10 17       |2,54?10 17       |
|7,2?10 –5        |                 |1,58?10 17       |1,43?10 17       |
|8?10 –5          |                 |8,73?10 16       |7,23?10 16       |
|8,8?10 –5        |                 |4,52?10 16       |3,02?10 16       |
|9,6?10 –5        |                 |2,02?10 16       |7,02?10 15       |
|1,05?10 –4       |                 |9,08?10 15       |5,91?10 15       |
|1,1?10 –4        |                 |5,37?1015        |9,62?10 15       |
|1,15?10 –4       |                 |3,09?10 15       |1,19?10 16       |
|1,2?10 –4        |                 |1,74?10 15       |1,33?10 16       |
|1,3?10 –4        |                 |5,13?10 14       |1,44?10 16       |
|1,4?10 -4        |                 |1,36?10 14       |1,48?10 16       |
|1,5?10 –4        |                 |3,31?10 13       |1,49?10 16       |



                                    [pic]

       1- Распределение мышьяка в эмиттерной области после диффузии;
            2- Распределение бора в базовой области после диффукзии;
            3- Концентрация примеси в коллекторе

       Рисунок 1-Профиль распределения примесей в эмиттере и базе

                                    [pic]
       Рисунок 2- Суммарное распределение примесей эмиттера и базы


2 Расчет слоевых сопротивлений биполярного транзистора


       Слоевые сопротивления для базовой и эмиттерной областей  рассчитываем
по следующей формуле:

                          [pic],                                         (9)

       где  q = 1.6?10 -19 Кл – заряд электрона;
                  N(x,t)  –  распределение   примеси   в   данной   области
транзисторной структуры;
                  ?(N(x,t))  –  зависимость  подвижности  от   концентрации
примеси.

       Зависимость  подвижности  от  концентрации  примеси  определяется  по
формулам:

                                                                        (10)



                                                                        (11)



       Таким  образом,  слоевое  сопротивление  эмиттера   рассчитываем   по
формуле:

                                          [pic],                        (12)

       где  NЭМ(x,t) – распределение  примеси  в  эмиттере  рассчитанное  по
формуле 5.



       Теперь произведём расчёт слоевого сопротивления базы по формуле:

                                             [pic],                     (13)

       где  NБАЗ(x,t) – распределение бора в базовой области рассчитанное по
формуле 1.
       Для расчёта  слоевых  сопротивлений  воспользуемся  пакетом  программ
Mathcad 5.0 Plus, в результате расчёта получили следующие  значения  слоевых
сопротивлений:
        [pic] = 7.16 Ом/кв;
         [pic]= 795 Ом/кв.
        Произведём также  расчёт  слоевых  сопротивлений  для  двух  крайних
значений, определённых с точностью поддержания  температур  при  легировании
области эмиттера Т=±1,5°С. В результате расчётов получим следующие  значения
слоевых сопротивлений:
       при Т = 1101,5°С   [pic] = 6.07 Ом/кв.
       при Т = 1098,5°С    [pic]= 7.37 Ом/кв.
       Затем  с  помощью  программы  Biptran  рассчитаем  параметры  моделей
транзисторов при  номинальной  температуре  и  для  двух  крайних  значений,
определённых с точностью  поддержания  температур  при  легировании  области
эмиттера Т=±1,5°С.
       В результате расчётов получаем  следующие  модели  транзисторов  (см.
Приложение ).

      3 Расчет основных параметров инвертора


       Схема инвертора представлена на рисунке 3.


                                    [pic]


       Рисунок 3-Схема инвертора


       В данной курсовой работе необходимо  определить  следующие  параметры
инвертора:
    . напряжение логических уровней;
    . пороговое напряжение;
    . времена задержки;
    . помехоустойчивость схемы;
    . среднюю потребляемую мощность.
       Прежде чем приступить к расчету основных параметров инвертора,  учтем
влияние технологического процесса на номиналы резисторов.  В  данной  работе
мы  будем  выполнять  высокоомные  резисторы  на  основе  базового  слоя,  а
низкоомные  на  основе  эмиттерного  слоя,  то  естественно,  что  изменение
температуры будет сказываться на номиналах резисторов.



       Это связано с тем,  как  было  описано  выше,  слоевое  сопротивление
изменяется  с  изменением  температуры.  Учитывая  все  выше   сказанное   и
выражение:
                                   [pic],
       где: l,b – геометрические размеры резисторов.
       Тогда:
                                   [pic],
       где: R’ – сопротивление с учетом температуры.

       Таблица 4 – Сопротивления резисторов при различных температурах
|R,  Ом           |Т=1100 0С        |Т=1101,5 0С      |Т=1098,5 0С      |
|R1               |20?103           |19.8?103         |20.20?103        |
|R2               |1.5?103          |1.48?103         |1.51?103         |
|R3               |8?103            |7.98?103         |8.08?103         |
|R4               |120              |101.7            |123.52           |
|R5               |3?103            |2.97?103         |3.03?103         |

       При сравнении номиналов  резисторов  можно  сделать  вывод,  что  при
увеличении температуры номиналы резисторов уменьшаются,  а  при  уменбшении-
увеличиваются.
       Напряжение   логических   уровней    определяем    по    передаточной
характеристики ТТЛШ – инвентора,  построенной  при  помощи  пакета  программ
Pspice, которая представленаа в Приложении .
       Напряжения логических нулей равны:
       U° =B;
       U' =B.


       Для   того,   чтобы    найти    пороговое    напряжения    необходимо
продифференцировать [pic], тогда в соответствии с Приложением :

       U°пор = 0.5B,
       U'пор = 1.73B.

       Зная напряжения логических  уровней  и  пороговые  напряжения,  можно
определить помехоустойчивость схемы:

       Uпом = min(U0пом,U1пом)

       U0пом = U0пор – U0

       U1пом = U1 – U1пор

       U0пом = В

       U1пом


       Uпом  = В


       Время задержки легко  определить,  сравнением  входного  и  выходного
импульсов (Приложение ) = В



      Средняя потребляемая мощность определяется  из  графика  в  Приложении
10:



       Таким образом, получим потребляемую мощность:


      При расчёте выяснилось что у  схемы  маленькая  помехоустойчивость.  В
связи с этим рекомендуется уменьшить сопротивление  коллекторов  у  выходных
транзисторов схемы (Q4 и Q5).
Это приведёт к уменьшению напряжения логического нуля, что  в  свою  очередь
приведёт к повышению помехоустойчивости схемы.


                                 Заключение


       В ходе данной работы было произведено сквозное проектирование ТТЛШ  –
инвертора. В результате были рассчитаны параметры  биполярного  транзистора.
Профили  распределения  примесей  в  биполярной  структуре  представлены  на
графиках в Приложениях 1,2,3, а модели транзисторов в Приложении 6.
       Кроме того мы  рассчитали  такие  параметры  ТТЛШ  –  инвертора,  как
напряжение  логических  уровней,  пороговые  напряжения,  помехоустойчивость
схемы, время задержки, среднюю потребляемую  мощность.  Результаты  расчётов
представлены в  пункте  3  и  приложениях  7,8,9,10.  Полученные  результаты
удовлетворяют требованиям ТТЛШ – микросхем.
      Расчёты представленные в этой работе являются приближёнными,  так  как
для более точных расчётов необходимы более мощные  средства  автоматического
проектирования.
      В  ходе  работы  мы  пренебрегли  процессами  сегрегации  примеси  при
окислении, а также зависимостью коэффициента диффузии от концентрации.
      В результате работы мы получим математическую модель  технологического
процесса ТТЛШ –инвертора.

                       Список используемой литературы


       1 Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства  полупроводниковых
приборов.- Москва.: Высшая школа, 1974. – 400с.: ил.
       2 Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии  РЭА:  Учебное
пособие для вузов.- Москва.: Высшая школа, 1982. 224 с.: ил.
       3 Матсон Э.А. Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию
микросхем. –Мн.: Высшая школа, 1983. –271 с.: ил.
       4 Коледов Л.А. Конструирование и технология микросхем. курсовое
проектирование: Учебное пособие для вузов.- Москва.: Высшая школа, 1984.
–231с.: ил.



-----------------------
                         [pic]


                             [pic],                                      (4)

[pic]

                                    [pic]

[pic]
???/??????????/???????????????/????????????????????????????/????????????????
??/??????????????????/??????
[pic]

[pic]


[pic]

[pic]



                                    [pic]

                                    [pic]


                                    [pic]

                                    [pic]

                                    [pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]




смотреть на рефераты похожие на "Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-инвертора"