Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА НАНО- и МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Лабораторная работа № 4
Пенза 2010
Цель работы: Изучение конструкции элементов полупроводниковой интегральной схемы.
Теоретическая часть
Термины и определения (ГОСТ 17021 – 88)
При изложении материала использована терминология стандарта в части полупроводниковых интегральных схем.
Полупроводниковая интегральная микросхема – это микросхема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.
Полупроводниковая пластина – заготовка из полупроводникового материала, используемая для изготовления полупроводниковых ИМС.
Кристалл интегральной микросхемы – часть полупроводниковой пластины¸ в объеме и на поверхности которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы¸межэлементные соединения и контактные площадки.
Тип микросхемы – микросхема конкретного функционального назначения и имеющая свое условное обозначение.
Типономинал микросхемы – микросхема конкретного типа, отличающаяся от других ИМС одним или несколькими параметрами.
Для характеристики сложности микросхем используют два параметра: степень интеграции и плотность упаковки.
Степень интеграции К определяют по формуле:
К = lg N,
где N – число элементов полупроводниковой ИМС.
Обычно величину К округляют до ближайшего целого числа по известному правилу.
По степени интеграции микросхемы разделяют на:
Плотность упаковки К определяется по формуле: К = N / V [cм- -3] где V – объем микросхемы без учета выводов.
По выражению (2) видно, что плотность упаковки бескорпусных микросхем будет значительно выше.
Характеристика полупроводниковых пластин
Полупроводниковая пластина, являясь частью конструкции микросхемы, выполняет функции механического основания и теплоотвода.
К полупроводниковым пластинам предъявляются следующие требования:
а) стойкость к химическому воздействию окружающей среды;
б) монокристаллическая структура;
в)однородность распределения легирующих примесей в объеме монокристалла;
г) устойчивость к химическим реагентам;
д) механическая прочность;
е) термостойкость;
ж) устойчивость к старению и долговечность.
Основные свойства некоторых полупроводниковых материалов приведены в табл.1.
Пластины из кремния широко применяются для создания полупроводниковых ИМС и дискретных кремниевых диодов и транзисторов. Кремний имеет отличные диэлектрические и технологические свойства, стабильный окисел, его природные запасы велики. Верхний диапазон температур кремния достигает 120 150C, а ниже предел – минус 70С. В производстве микросхем используется в виде пластин толщиной 200400 мкм и диаметром до 200 мм, шероховатость поверхности рабочей стороны соответствует 14 классу.
Конструкция элементов полупроводниковых ИС
Как отмечалось выше, элементы полупроводниковых ИМС выполняют функцию электрорадиоэлемента. Поэтому к ним относят: резистор, конденсатор, диод, транзистор, полевой транзистор, МДП-транзистор. Кроме этого, при проектировании полупроводниковых ИМС применяют вспомогательные элементы: диффузионные перемычки, контактные площадки и фигуры совмещения. Ниже будут рассмотрены конструкция и топология всех этих основных и вспомогательных элементов.
Конструкция и топология резисторов
Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования полупроводника.
Рассмотрим разновидности интегральных резисторов.
Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной обла стью (рис. 1.12, 1.13, 1.14). Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограничен ного p-n-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением . Значение является конструк тивным параметром резистору, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших харак теристик транзисторов типа п-р-п, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора.
Рис. 1.12. Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.13. Поперечный разрез структуры диффузионного резистора на основе базовой области
Рис. 1.14. Конструкция диффузионного резистора на основе эммитерной области
Конфигурации диффузионных резисторов даны на рис. 1.15. Низкоомные (десятки ом) резисторы (рис. 1.15, а) имеют малое отношение . Форму и раз меры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.15, б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ши рине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.15, г, д, исполь зуют для создания высокоомных резисторов (до 20 кОм). Эти ре зисторы имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтакт ных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупро водниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (рис. 1.15, е) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы, рис. 1.15, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превы шать размеров активной области кристалла (1—5 мм), ширина ог раничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5—3 мкм), и боковой диффузи ей (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного р-п-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении , лежат в диапазоне . Нижний предел ограничивается сопротивлениями приконтактных областей, верхний - допустимой площадью, отводимой под резистор.
Рис. 1.15. Конфигурация диффузионных резисторов
Максимальное сопротивление ДР на основе базовой области при близительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводи мость номинальных значений сопро тивления обычно составляет 15-20% и зависит от ширины резистора (табл. 1.4). Отклонения от номина лов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отноше ние сопротивлений сохраняется с вы сокой точностью. Анало гично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с TKR для отдельного резистора . Эту особенность диффузионных резисто ров учитывают при разработке полу проводниковых ИМС.
На основе эмиттерной области формируются резисторы неболь ших номиналов [3-100 Ом с TRK= 1/°С], поскольку значение эмиттерного слоя невелико.
Пинч-резисторы. При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения (рис. 1.16, 1.17). Максимальное сопротивление таких резисторов со ставляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, =2÷5 кОм/.
Рис. 1.16. Конструкция
Пинч-резисторы имеют большой разброс номина лов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р-слоя, большого TKR=(3÷5)·10-3 1/°С вследст вие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п+ и р-слои закорочены металлизацией (см. рис. 1.16) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора.
Рис. 1.17. Конструкция
Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок в. а.х. только до напряже ний 1-1,5 В, его пробивное напряжение равно 5-7 В (эмиттерный переход, см. табл. 1.2).
Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей тран зистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирую щей примеси и максимальное значение (500 - 5000 Ом/). По скольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР (рис. 1.18) поперечное сечение по форме су щественно отличается от сечений ДР, ибо эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузи онных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления ЭР значителен. Казалось бы, что большие значения позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная пло щадь области разделительной диффузии (рис. 1.18) сводит на нет это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое на пряжение пробоя (>100 В) и большой TKR, поскольку коллектор ная область легирована слабо.
Рис. 1.18. Конструкция интегрального резистора на основе коллекторной области
Эпитаксиальные пинч-резисторы. Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глу бину базового слоя, что и предоп ределяет большие, чем у ЭР, зна чения (=4÷8 кОм/) и номиналы сопротивления при одной и той же площади (рис. 1.19). Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением (см. табл. 1.2), ТКR 1/°С.
Рис.1.19. - Конструкция эпитаксиального пинч-резистора
Ионно-легированные резисторы. Структура этих резисторов такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1—0,3 мкм (рис. 1.20). Ионная имплантация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответст вующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10-20 мин при 500-600°С) можно получить =0,5÷20 кОм/ в резисто рах cо структурой рис. 1.20, а и =500÷1000 Ом/ в резисторах со структурой рис. 1.20, б. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни килоом со сравнительно низким TKR и допус ком ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что
Рис.1.20. Конструкции-легированных резисторов, сформированных
имплантацией примеси р-типа в эпитаксиальный (коллекторный) слой (а)
и примеси п-типа в базовый слой
усложняет получение качественного омического контакта. Для формирования надежных контактов используют диффузионные р- или п-области, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии (рис. 1.20).
Величину сопротивления резистора R определяется по формуле:
R = Sl / b = s Кф
где s – удельное поверхностное сопротивление базового слоя, Ом /;
L – длина резистора;
Как видно из рисунка, тело резистора размещается в кармане n – типа проводимости, который размещается в пластине p – типа. Для нормальной работы резистора р – n –переход карман – пластина должен быть закрыт (смещен в обратном направлении). Это достигается подачей на пластину самого низкого потенциала микросхемы. Подключение резистора к другим элементам схемы осуществляется через контактные окна с помощью алюминиевых проводников металлизации.
На рис. 1, б приведена конструкция диффузионного резистора на эмиттерном п+ - слое. Такие резисторы из-за сильного легирования получают низкоомными, их применение ограничивается низким пробивным напряжением (5 ÷ 7 В) р-п перехода эмиттер-база.
Для получения высокоомных резисторов применяют так называемые пинч-резисторы. В них удается существенно повысить удельное поверхностное сопротивление рS за счет уменьшения площади поперечного сечения.
На рис.1, в показана конструкция пинч-резистора в базовом слое, толщина которого уменьшена за счет эмиттерного слоя до величины d – d1. Третье контактное окно на пинч- резисторе необходимо для подключения эмиттерного слоя к высокопотенциальной части резистора для запирания– р- n+ - перехода на резисторе.
Конструкция ионно – легированного резистора практически не отличается от конструкции, приведенной на рис. 1, б. Однако технология ионного легирования позволяет получить тонкие слои с высоким значением удельного поверхностного сопротивления.
В таблице 2 даны типичные значения толщин слоев, поверхностных удельных сопротивлений и допусков на номинал резисторов полупроводниковых ИМС.
Таблица 2
Характеристики интегральных резисторов
|
Тип резистора |
Толщина слоя, d, мкм |
Удельное поверхностное сопротивление, рS, Ом / |
Допуск, , % |
|
Диффузионный на базовом слое |
2,5 3,5 |
100 300 |
(5 20) |
|
Диффузионный на эмиттерном слое |
1,2 2,5 |
1 10 |
20 |
|
Пинч-резистор |
0,5 1,0 |
1000 3000 |
30 |
Конструкция конденсаторов
В полупроводниковых ИМС две разновидности: МДП – конденсатор и диффузионный конденсатор. Конструкция первого приведена на рис.2. Нижняя обкладка такого конденсатора образована n+ - эмиттерным слоем, диэлектриком является окись кремния, а верхняя обкладка алюминиевая. Отсюда следует, что МДП – конденсатор полностью совместим с технологией производства полупроводниковых ИМС и не требует дополнительных технологических операций.
Величина емкости определяется по формуле:
С = Со · S
где S – площадь перекрытия обкладок; - диэлектрическая проницаемость окиси кремния; d – толщина диэлектрика.
Для получения больших удельных емкостей необходимо применять тонкий диэлектрик, однако это приводит к уменьшению пробивного напряжения конденсатора.
Для формирования диффузионных конденсаторов используются барьерные емкости обратно-смещенных р – n - переходов: эмиттер – база, база – коллектор и коллектор – пластина. Конструкция диффузионного конденсатора совпадает с конструкцией транзистора (рис. 4) и отличается числом выводов, которых по числу обкладок будет два. Использование данных конденсаторов имеет особенность: р – n – переход, используемый в качестве конденсатора должен быть во всех режимах работы смещен в обратном направлении.
В табл.3 приведены параметры конденсаторов различных конструкций.
Таблица 3
Параметры интегральных конденсаторов
|
Тип конденсатора |
Удельная емкость, C0, пФ/мм2 |
Пробивное напряжение Uпр, В |
Добротность, Q, отн. ед. |
Допуск, , % |
|
МДП с диэлектриком: |
||||
|
SiO2 |
200 600 |
30 50 50 |
25 80 |
20 |
|
Si3N4 |
800 1600 |
20 1100 |
20 |
|
|
Диффузионный на p-n-переходах |
||||
|
Б – К |
150 |
50 100 |
15 – 20 |
|
|
Э – Б |
600 |
5 20 |
20 |
|
|
К – П |
–– |
15 – 20 |
Конструкции диодов
Диоды полупроводниковых ИМС можно сформировать на любом из р – n –переходов планарно – эпитаксиального транзистора. Наиболее удобны для этих целей переходы эмиттер-база и база-коллектор. Пять возможных вариантов диодного включения транзисторов приведены на рис.3, где в качестве диода используются: переход база-эмиттер с коллектором, закороченным на базу (а); переход коллектор – база с эмиттером, закороченным на базу (б); параллельное включение обоих переходов (в); переход эмиттер – база с разомкнутой цепью коллектора (г); переход база – коллектор с разомкнутой цепью эмиттера (д).
При соответствующем выборе варианта диодного включения транзистора возможно подобрать оптимальные параметры по быстродействию, пробивному напряжению, обратному току (см. табл. 4).
Таблица 4
Параметры диодов
|
Вариант диодного включения транзистора |
Пробивное напряжение, Uпр, В |
Обратный ток, Iобр, нА |
Быстродействие, время восстановления обратного тока, восст, нс |
|
БК – Э |
7 - 8 |
1,0 |
10 |
|
БЭ – К |
40 – 70 |
30,0 |
50 |
|
Б – КЭ |
7 – 8 |
40,0 |
100 |
|
Б – Э |
7 – 8 |
1,0 |
50 |
|
Б – Э |
40 – 70 |
3,0 |
75 |
Конструкция биполярных транзисторов
В полупроводниковых ИМС биполярный n – р – n транзистор является основным схемным элементом. У n – р –п транзисторов быстродействие при прочих равных условиях лучше, чем у р – n – р транзисторов. Это объясняется тем, что подвижность электронов выше, чем дырок.
Начнем анализ с простейшей конструкции биполярного транзистора n+ - h –n (рис.4).Эмиттер транзистора сильно легируют до получения максимального коэффициента инжекции. Базу транзистора для повышения коэффициента переноса делают тонкой и низколегированной, так, чтобы толщина базы (w6) была намного меньше диффузионной длины инжектированных в базу электронов. Под коллектором располагают низкоомный слой n+ (скрытый слой) для уменьшения сопротивления коллектора при работе последнего в режиме насыщения. В тех случаях, когда транзистор не переходит в режим насыщения, скрытый слой не делают.
При контакте полупроводника n – типа с трехвалентным алюминием, который является акцептором, последний может диффундировать в коллектор с образованием области р – типа и паразитного р – n – перехода. Для предотвращения образования паразитного перехода область коллекторного контакта легируют до n+.
Транзисторы средней и большой мощности работают в режимах высоких плотностей тока (2 30 мА мм2). Конструкции мощных транзисторов разрабатывают с учетом эффекта оттеснения эмиттерного тока. Этот эффект заключается в том, что плотность тока в центре эмиттерной области существенно ниже плотности тока на ее периферии, и падение напряжения на эмиттерном переходе будет расти при смещении от центра эмиттера. Поэтому для повышения мощности транзистора необходимо увеличивать не общую площадь эмиттера SЭ, а отношение периметра Р эмиттера к его площади. На рис.5 показаны различные конструкции эмиттеров мощных транзисторов с большим отношением РSЭ.
В цифровых схемах транзисторно – транзисторной логики (ТТЛ) используются многоэмиттерные транзисторы, которые содержат несколько эмиттеров, работающих в одной базовой области. Из рисунка видно, что эмиттеры находятся на разных расстояниях от базового контакта, что приводит к существенному различию в сопротивлениях эмиттер-базовых цепей. Для выравнивания этих сопротивлений по области базы прокладывают проводник, а форма базовой области имеет отросток, который является базовым резистором с коэффициентом формы 3 4. В аналоговых ПИМС находят применение и р–n–р транзисторы, совместимые с планарно-эпитаксиальной технологией. Конструкция такого транзистора приведена на рис.7. Их изготавливают одновременно с n+- р–n транзисторами по обычной технологии. Эмиттерный и коллекторные слои получают на этапе базовой диффузии, причем коллекторный слой охватывает эмиттер со всех сторон. Базовая область формируется на основе эпитаксиального слоя с подлегированием контактной области во время эмиттерной диффузии. Перенос носителей в таким р–n–р транзисторе протекает в горизонтальном направлении. Инжектированные из боковых частей эмиттера в базу дырки диффундируют к коллекторной области в приповерхностном слое. Ширина базы равна расстоянию между р–слоями (3 4 мкм). Из-за сравнительно большой ширины базы частотные свойства р–n–р транзисторов хуже, а усиление меньше. Такие транзисторы применяют в аналоговых схемах, где необходимо использовать транзисторы двух типов проводимости.
Рис.6. Конструкция многоэмиттерного транзистора: БП – базовый проводник, БК – базовый контакт.
Конструкции МДП – транзисторов
МДП – транзисторы, наряду с полевыми транзисторами, о которых будет написано ниже, являются униполярными, поскольку работа их основана на использовании носителей только одного типа – основных. Принцип работы МДП – транзистора основан на модуляции сопротивления проводящего канала между истоком и стоком под действием потенциала затвора.
Для упрощения изложения материала далее будут рассматриваться МДП – транзисторы с индуцированным каналом, т.е. с каналом, который наводится в области между истоком и стоком только при наличии потенциала на затворе.
Различают по типу проводимости канала n – канальные ( рис.8, а ) и р – канальные ( рис. 8, б и) МДП – транзисторы. Отметим, что у n – МДП – транзисторов быстродействие больше, так как подвижность основных носителей – электронов больше, чем дырок.
Рис.8. Конструкция МДП-транзистора: а) p-МДП-транзистор; б) n-МДП-транзистор; в) комплементарная пара транзисторов; ОК1, ОК2 – охранные кольца.
Как видно из рисунков, МДП – транзистор имеет 4 вывода: исток, сток, затвор и подложка. При симметричной конструкции исток и сток в МДП – транзисторах обратимы и их можно поменять местами при включении транзисторов в схему.
Основными конструктивными параметрами МДП – транзистора являются длина канала lК и ширина канала bК . Для обеспечения надежного наведения канала с учетом возможного несовмещения отдельных областей затвор должен располагаться над каналом с некоторым перекрытием.
Особенностью МДП ИМС является то, что в качестве пассивных элементов используют МДП – транзисторы. При использовании МДП транзистора в качестве резистора необходимо на его затвор подавать постоянное напряжение, величина которого будет определять номинал сопротивления. В качестве конденсаторов в МДП ИМС используют емкость затвор – подложка или барьерную емкость р – n – перехода сток (исток) – подложка.
МДП ИМС, у которых в объеме кристалла сформированы одновременно n – р – канальные МДП – транзисторы, называются комплементарными (рис. 8, в). Цифровые схемы на комплементарных МДП транзисторах (КМДП ИМС) практически не потребляют мощность в статическим режиме и потребляют ее только в момент переключения.
Как видно из рисунка, для формирования комплементарной структуры необходимо формировать р – карман. для размещения n – МДП – транзисторов. Кроме того, для устранения влияния паразитных МДП – транзисторов применяют охранные кольца р+ и n+ - типа, которые могут опоясывать один или несколько транзисторов с каналом одного типа проводимости. Применение охранных колец снижает степень КМДП ИМС.
Существенным недостатком МДП ИМС является опасность пробоя затвора на подложку статическим электричеством при монтаже или транспортировке микросхем. Для устранения этого явления все логические входы дополняют охранными диодами и резисторами. Пример такой защиты на входе КМДП ИМС приведен на рис. 17. Назначение диодов D1 – D3 очевидно, а резистор R1 необходим для ограничения зарядного тока емкости затвор – подложка комплементарных МДП – транзисторов в динамическом режиме.
Конструкция полевых транзисторов
Принцип работы полевого транзистора также, как и МДП – транзистора, основан на модуляции толщины проводящего канала и его сопротивления под действием потенциала затвора. На рис. 9 приведена конструкция полевого транзистора с каналом n – типа проводимости. Канал образуется между стоком и истоком. Толщина канала регулируется двумя обратно смещенными р-n – переходами: затвор – эпитаксиальный слой и эпитаксиальный слой – подложка. В указанной конструкции на затвор подается отрицательный потенциал относительного истока. Характерной особенностью полевого транзистора ПИМС является замкнутая форма затвора, окружающего область стока. В этом случае ток между истоком и стоком всегда будет протекать через канал.
Полевые транзисторы такой конструкции находят применение во входных каскадах операционных усилителей, изготовленных по планарно–эпитаксиальной технологии.
Вспомогательные элементы ПИМС
До начала анализа вспомогательных элементов ПИМС рассмотрим конструкцию проводников. Элементы ПИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевых пленочных проводников, расположенных на поверхности изолирующего окисла или межслойной изоляции. Контактирование проводника со всеми областями кристалла осуществляется через контактное окно в окисле, причем для получения надежного контакте окно закрывается проводником с перекрытием. Толщина проводника достигает 1,2 мкм при минимальной ширине, определяемой технологическими ограничениями.
Рассмотренная конструкция проводников не обеспечивает изоляцию пересекающихся проводников. Для этих целей используют вспомогательный элемент – диффузионную перемычку. В такой перемычке один проводник расположен на поверхности изолирующего окисла, а другой пролегает под ним в виде участка р+- или n+- слоя. Диффузионная перемычка по существу является низкоомным диффузионным резистором (см. рис.1,б), над телом которого проложен пересекающийся проводник. Для получения качественной перемычки необходимо проектировать ее с коэффициентом формы КФ1 по выражению (3).
Вторым вспомогательным элементом ПИМС является внешняя контактная площадка. Она предназначена для электрического соединения кристалла с внешними выводами корпуса с помощью гибких проводников. Конструктивно внешняя контактная площадка выполняется из пленочного алюминиевого проводника размером порядка 50 х 50 мкм и располагается на периферии кристалла. От кристалла площадка изолируется окислом, а от внешней среды пассивирующим (защитным) слоем, в котором делают окно для приварки внешнего гибкого вывода. Иногда контактную площадку снабжают двойной изоляцией для предотвращения замыкания на кристалл в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессионной сварке под местом сварки. Для этого под площадкой формируют изолирующий карман с проводимостью, обратной проводимости исходной пластины. В тех случаях, когда контактная площадка формируется на толстом окисле, область изоляции в виде кармана не делают.
Последним вспомогательным элементом ПИМС являются фигуры совмещения. Они имеют прямоугольную или крестообразную форму или выполняются в виде набора рисок разной толщины. Рассмотрим простые фигуры квадратной формы.
В данной лабораторной работе Вы будете наблюдать окончательный вид фигур совмещения после завершения технологического процесса. Количество фигур будет на одну меньше числа фотолитографий, использованных при производстве ИМС. Каждая фигура состоит из двух квадратов основного (внешнего) и встроенного (внутреннего). Качество совмещения определяют по взаимному положению основного и встроенного квадратов. Совмещение будет идеальным, если все фигуры концентричны. Чаще всего фигуры совмещения располагают на периферии кристалла внешними контактными площадками.
Способы изоляции элементов
Между активными и пассивными элементами ПИМС, сформированными в объеме полупроводникового кристалла, необходимо обеспечить надежную электрическую изоляцию.
Различают три способа изоляции:
Основным недостатком изоляции р–n –переходом, является наличие значительных паразитных емкостей и токов утечки изолирующих р–n –переходов, что особенно сказывается на быстродействующих и микромощных ИМС. Изоляция элементов диэлектриком позволяет создавать ИМС с улучшенными характеристиками по сравнению с микросхемами, в которых использована изоляция р–n –переходами. Однако микросхемы с диэлектрической изоляцией имеют меньшую интегральную плотность. В комбинированном способе изоляции совмещены некоторые преимущества методов изоляции р–n – переходом и полной диэлектрической изоляции.
Описание изучаемых ИМС
Объектом изучения в данной работе являются 17 полупроводниковых ИМС, имеющих различную степень интеграции и изготовленных по различным технологиям. Каждая бригада изучает только 7 образцов ИМС в зависимости от выбранного варианта. Для удобства пользования все характеристики изучаемых ИМС сведены в таблице 5. Количество элементов микросхемы и размеры ее корпуса используют для расчета степени ее интеграции и плотности упаковки.
Таблица 5
Характеристики и параметры изучаемых ИМС
|
Обозначение |
Технология изготовления |
Выполняемая функция |
Кол-во элементов |
Размеры корпуса, a b c, мм |
|
133 ЛА3 133ЛА6 |
Планарно-эпитаксиальная |
4 элемента 2И-НЕ 2 элемента 4И-НЕ |
56 32 |
6,5 9,8 2,3 |
|
132РУ6 |
n - МДП |
Оперативное ЗУ на 16 Кбит |
122802 |
13 12 2,5 |
|
134ЛА2 134ЛА8 134КП9 134ТМ2 |
Планарно-эпитаксиальная |
Элемент 8И-НЕ 4 элемента 2И-НЕ Сдвоенный коммутатор на 4 канала Д-триггер |
9 24 56 28 |
6,5 9,8 2,3 |
|
140УД6 140УД8 |
Планарно-эпитаксиальная |
Операционный усилитель |
64 43 |
9,5 4,6 9,5 4,6 |
|
142ЕН5 |
Планарно-эпитаксиальная |
Стабилизатор напряжения 5 В |
39 |
9 25 3 |
|
564КТ3 564ЛЕ5 564ЛЕ10 564ТЛ1 564РУ2 |
КМДП |
4 двунаправленных ключа 4 элемента 2ИЛИ-НЕ 3 элемента 3ИЛИ-НЕ 4 триггера Шмитта Оперативное ЗУ на 1 кбит |
52 48 54 88 2067 |
6,5 10 2 |
|
9,4 12 2,5 |
||||
|
К590КН8 К590КН9 |
n – ДМДП КМДП |
4 ключа без управления 2 ключа с управлением |
8 62 |
9,4 12 2,5 |
Рис.10. Способы изоляции элементов: а) обратно-смещенным p-n-переходом; б) диэлектриком; в) комбинированный; wp-n – обеденный слой изолирующего p-n-перехода; d – толщина диэлектрика (окисла кремния).
ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ
Домашнее задание
1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы.
2. Изучить по описанию: материалы и свойства исходных пластин для изготовления полупроводниковых ИМС; виды и конструкцию элементов биполярных и униполярных элементов полупроводниковых ИМС; виды изоляции элементов на кристалле.
3. Выполнить пп. 1-3 раздела “Требования к отчету”.
Работа в лаборатории
Форма таблицы 6
Характеристики исходных полупроводниковых пластин
|
Материал пластины |
Характерные признаки внешнего вида |
Область применения |
Параметры и характеристики, определяющие область применения |
Форма таблицы 7
Характеристики и параметры ПИМС
|
Обозначение микросхемы |
Выполняемая функция |
Способ изоляции элементов микросхемы |
Количество внешних контактных площадок |
Количество элементов |
Степень интеграции, К |
Плотность упаковки, КV, см-3 |
Примечание |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Внимание!
Пластины с образцами очень хрупки. После рассмотрения пластин сразу же ставьте их в кассету.
01 – кремниевая пластина; 02 – германиевая пластина;
03 – арсенидгаллиевая пластина; 04 – фосфидгаллиевая пластина.
4.Заполнить остальные графы формы табл.6, используя описание лабораторной работы и другие источники.
Таблица 8
Варианты элементов ПИМС для изучения топологии
|
№ бригады |
1 и 7 |
2 и 8 |
3 и 9 |
4 и 10 |
5 и 11 |
6 и 12 |
|
№ варианта |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
1 Микросхема Элемент Значение параметра |
140УД6 С1 35 пФ |
140УД6 R5 40 кОм |
134ЛА2 R3 4,2 кОм |
140УД8 C1 30 пФ |
564ЛЕ5 R1 1 кОм |
134ЛА8 R1 12 кОм |
|
2 Микросхема Элемент |
140УД6 VT27 |
134ЛА2 VT4 |
133ЛА6 VT6 |
134ЛА2 VT1 |
134ТМ2 VT3 |
К142ЕН5 МЕ2 |
|
3 Микросхема Элемент Форма затвора |
К590КН9 VT2 Меандр |
564РУ2 Тестовый n – МДП Прямоуг. |
564ТЛ1 Тестовый n – МДП Прямоуг. |
564РУ2 Тестовый n – МДП Прямоуг. |
140УД8 VT3, VT4 Кольцо |
564ТЛ1 Тестовый p – МДП Прямоуг. |
|
4 Микросхема Элемент |
134ЛА2 VD1 |
134ТМ2 VD1 |
133ЛА6 VD1 |
К590КН8 VD1 |
564КТ3 VD3 |
140УД9 VD1 |
5.Подготовиться к изучению семи образцов полупроводниковых микросхем, размещенных в кассете 2-1, для чего необходимо:
а) занести в форму табл. 7 в порядке размещения образцов в кассете обозначение микросхем, выполняемую функцию и число элементов, используя данные табл.5 описания.
6.Внимательно рассмотреть каждую микросхему под микроскопом и определить:
а) способ изоляции элементов в микросхеме;
б) количество внешних контактных площадок.
Примечание: 1. Контур области изоляции диэлектриком (контур “кармана”) имеет вид темной утолщенной линии, при этом прямые углы в контуре обязательно закруглены. Вне контура “кармана” на поверхности кристалла наблюдаются характерные крапинки.
2. Контур области изоляции р–n–переходом имеет вид тонких темных линий с прямыми углами без закруглений.
Результаты выполнения п.6 занести в форму табл.7.
8.Зарисовать эскизы топологии пассивных и активных элементов микросхем по варианту, указанному в табл. 8 описания, без соблюдения масштаба с указанием типа проводимости и названия областей. Для чего необходимо:
а) установить на столик микроскопа необходимую ИМС и, пользуясь ее принципиальной схемой (рис.11-20), найти интересующий элемент топологии, начав поиск от внешней контактной площадки кристалла с соответствующим номером;
б) поиск тестового или вспомогательного элементов (фигур совмещения) ведут на периферии кристалла или между внешними контактными площадками.
9. Произвести оптические измерения конструктивных параметров элементов полупроводниковых микросхем по п.8, для чего необходимо:
а) определить цену деления шкалы окуляра микроскопа (для окуляра “10Х” и объектива F = 25 цена деления равна 16 мкм);
б) поместить в поле зрения микроскопа топологию измеряемого элемента и произвести отсчет:
для диффузионного резистора – длины I и ширины b;
для МДП – конденсатора – длины IО и ширины bО верхней обкладки;
для биполярного транзистора – длины I6 и ширины b6 базовой области;
для МДП-транзистора – длины I3 и ширины b3 затвора;
в) нанести эти размеры в микрометрах на эскизы топологии.
Рис.11. Электрическая схема ИМС 133ЛА6.
Рис.12. Электрическая схема ИМС 134ЛА2
10. Рассчитать значение удельного поверхностного сопротивления и удельной емкости по формулам (3), (4) соответственно, используя значения параметров элементов из таблицы 8 описания и результаты оптических измерений.
11. Показать преподавателю результаты выполнения работы и оформить отчет в соответствии с разделом “Требования к отчету”.
ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ
Отчет содержит:
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Краткое описание элементов полупроводниковых ИМС с эскизами поперечных сечений диффузионного резистора, МДП конденсатора, планарно – эпитаксиального транзистора, n – канального и р – канального МДП транзисторов.
4. Заполненные по результатам анализа формы табл. 6 и 7.
5. Эскизы топологий активных и пассивных элементов в произвольном масштабе с указанием типа проводимости, названия и размеров областей в микрометрах.
6. Результаты расчета удельного поверхностного сопротивления и удельной емкости.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Поясните следующие термины: полупроводниковая микросхема, полупроводниковая пластина и кристалл.
2. Как вычисляют показатели степени сложности микросхем: степень интеграции и плотность упаковки?
3. Какие материалы используют для изготовления исходных пластин?
4. Поясните следующие термины: серия, тип и типономинал микросхем?
5. Из каких элементов состоит обозначение микросхем?
6. Что относят к характерным признакам внешнего вида исходных полупроводниковых пластин?
7. Как классифицируют микросхемы по конструктивно – технологическим типам?
8. Как в данной работе можно распознать конструктивно – технологический тип микросхемы?
9. Как в данной работе определить оптическим путем способ изоляции элементов в микросхеме?
10. Как проще определить количество внешних контактных площадок кристалла?
11. Как найти нужный элемент микросхемы для оптического анализа и измерений?
12. Чем задается и как определяется цена деления шкалы окуляра микроскопа?
13. Как рассчитать удельное поверхностное сопротивление диффузионного резистора по известной топологии и номиналу сопротивления?
14. Как рассчитать удельную емкость конденсатора по известной топологии и номиналу емкости?
15. Сравните кремний, германий и арсенид галлия как материалы для полупроводниковых ИМС?
16. Изобразите конструкцию диффузионного резистора в базовом слое и в базовом слое под эмиттерным?
17. Изобразите конструкцию диффузионного конденсатора на эмиттерном р – n – переходе.
18. Изобразите конструкцию МДП – конденсатора.
19.Изобразите конструкцию четырехэмиттерного планарно-эпитаксиального транзистора.
20. Изобразите конструкцию мощного планарно-эпитаксиального транзистора.
21. Изобразите конструкцию р – канального МДП – транзистора.
22. Изобразите конструкцию n – канального МДП – транзистора.
23. Изобразите конструкцию полевого транзистора.
24. *Изобразите конструкцию внешней контактной площадки.
25. *Назначение и последовательность формирования фигур совмещения. Как по ним оценивают качество операции совмещения?
26.*Какие схемотехнические меры принимают для защиты входов МДП – микросхем от пробоя?
27.*Как обеспечивают запирание изолирующего р – n –перехода в микросхеме?
28.* Назначение и конструкция охранных колец в МДП – структурах.
29. *Нарисовать эскиз сечения топологии активного элемента плоскостью, указанной преподавателем.
* Вопросы повышенной сложности.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 17021-88. Микросхемы интегральные. Термины и определения.
2. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М. “Радио и связь”, 1989, с.44.
3. Симонов Б.М., Митрофанов О.В. Изучение материалов, деталей, элементов и конструкции интегральных микросхем. М. МИЭТ. 1991, с. 5.
PAGE 25