Список использованных литературных источников 1 страница

Включает в себя все использованные в курсовом проекте печатные учебники, учебные пособия, научные журналы с полным указанием их данных. Кроме того в данный раздел могут быть включены электронные или интернет-ресурсы с указанием полного режима и даты доступа. Обязательно по тексту пояснительной записки давать ссылки на литературу!

Оформление пояснительной записки. Объем пояснительной записки без учета чертежей и графиков должен составлять примерно 30-50 страниц текста. Она должна содержать: титульный лист на курсовой проект (см. приложения В, Д), задание на курсовой проект подписанное руководителем (приложение Б), титульный лист пояснительной записки (приложение Г, Е), содержание, основной материал записки в соответствии с рассмотренными ранее разделами, приложения.

В приложения следует включать следующие конструкторские документы:

Приложение А – Схема электрическая принципиальная. Перечень элементов.

Приложение Б – Топологический чертеж общего вида полупроводникового кристалла или платы ГИС. Комплект фотошаблонов.

Приложение В – Сборочный чертеж. Спецификация.

Приложение Б выполняется в строгом соответствии с ЕСКД на миллиметровой бумаге карандашом. Для выполнения приложения Б рекомендуется использовать формат А1 и следующие масштабы 500: 1 – для полупроводниковой технологии и для активной части совмещенной технологии; 50: 1 или 20: 1 – для тонко- или толстопленочной технологии и для пассивной части микросхемы в совмещенной технологии.

На выполнение курсового проекта студенту отводится 12 учебных недель. График выполнения представлен в приложении А.

Курсовой проект на защиту представляется к защите на бумажном носителе, полностью подписанный студентом-разработчиком с указанием соответствующей даты.

Студенты заочной формы обучения должны пройти обязательную регистрацию проекта в деканате РТФ и на кафедре КиТ РЭС.

Графический материал представляется в развернутом, выпрямленном, не подшитом в ПЗ виде. После защиты проекта чертежи складывают под размер формата А4 и подшивают в соответствующее приложение.

Если курсовой проект по результатам защиты отправлен на доработку и редактирование, то исходный вариант помещается после приложений, а в документ вставляется исправленный вариант.

Студенты специальности 36 04 02 «Промышленная электроника» в третьем разделе курсового проекта «Конструкторские расчеты» не выполняют следующие пункты «Расчет надежности микросхемы», «Тепловой расчет микросхемы».

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ИМС НА УНИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

1.1. Особенности МДП - транзистора как типового схемного элемента ИМС

МДП - транзисторы имеют преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость к перегрузкам по току, высокое входное сопротивление. Кроме того, в МДП-ИМС нет необходимости использовать отдельные изолированные области для изоляции элементов друг от друга, что ведет к большей степени интеграции МДП-ИМС по сравнению с ИМС на биполярных транзисторах. Технологические маршруты по изготовлению МДП-ИМС содержат меньшее количество операций.

К недостаткам МДП транзисторов можно отнести меньшее быстродействие, худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.

При использовании КМДП-ИМС (комплементарных ИМС, т.е. содержащих одновременно р - канальные и n - канальные МДП - транзисторы) значительно повышается помехоустойчивость, уменьшается потребляемая мощность, повышается быстродействие.

МДП - транзистор является основным типовым схемным элементом МДП-ИМС. Он может выполнять функциикак активного прибора (ключевой транзистор в инверторе, усилительный транзистор и т.д.), так и пассивного (нагрузочный транзистор в инверторе, конденсатор в ячейке памяти и т.д.). При использовании МДП - транзистора в качестве резистора нагрузки необходимый номинал резистора достигается подачей на затвор нагрузочного МДП - транзистора определенного потенциала и подбором геометрических размеров канала (т.к. диффузионный резистор большого номинала имеет площадь, почти на порядок превышающую площадь активного транзистора, и ухудшает частотные свойства схемы). Если в МДП-ИМС необходимо спроектировать конденсатор, то используют емкость затвор-подложка или сток (исток) - подложка МДП - транзистора. Требуемое значение емкости обеспечивается площадью областей затвора, стока или истока МДП - транзистора.

1.2. Основные электрические и конструктивные параметры МДП - транзистора

Основными конструктивными параметрами МДП - транзистора с индуцированным каналом (см. рис. 1.1) являются: длина канала l_к мкм, ширина канала b_к, мкм, толщина затворного диэлектрика h_д, мкм. Остальные конструктивные параметры (размеры затвора, областей стока (истока), толщина стока (истока) и т.д.) являются вспомогательными и определяются при проектировании по технологическим ограничениям на размеры МДП - структур (см. табл. 1.1).

Рисунок 1.1 - К определению конструктивных параметров МДП транзистора

К основным электрическим параметрам МДП - транзистора можно отнести: удельную крутизну S₀, А/В², дифференциальное сопротивление канала R_к, Ом; пороговое напряжение U₀, В; входное сопротивление R_вх, МОм; постоянную времени канала τ _к, нс и др.

Так, удельная крутизна МДП - транзистора выражается через электрофизические и конструктивные параметры МДП - структуры:

Чертежи топологии	Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера	Вид топологии
p - МДП	n - МДП	КМДП
	Толщина затворного диэлектрика (SiO2) hд, мкм   Толщина толстого диэлектрика (SiO2) hтд, мкм Толщина металлизации (алюминия) hм, мкм Толщина кремниевого затвора hкз, мкм Толщина межслойной изоляции (ФСС) hми, мкм Толщина пассивирующего слоя (ФСС) hпс, мкм Толщина стоков, истоков, диффузионных проводников hj, мкм Толщина р – областей для формирования n – канальных транзисторов КМДП – ИМС, hl, мкм Минимальная длина алюминиевого (кремниевого) затвора lз, мкм Перекрытие областей стока (истока) алюминиевым (кремниевым) затвором l, мкм Минимальное расстояние от края контактного окна до края стока (истока), диффузионного проводника, кремниевого затвора a, мкм	0, 07-0, 10 1, 0 1, 2 - - 1, 0     -     2, 0   4, 0	0, 07-0, 10 1, 0 1, 2 0, 5 1, 0 1, 0     -     0, 8   2, 0	0, 1   1, 0 1, 2 0, 5 1, 0 1, 0 1, 0 1, 5 6, 0-7, 0     1, 0   2, 0

Таблица 1.1 - Топологические ограничения на размеры МДП - структур

Чертежи топологии	Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера	Вид топологии
p - МДП	n - МДП	КМДП
	Минимальное расстояние от затвора до края контактного окна к стоку (истоку) d, мкм Минимальный размер контактного окна к стоку (истоку), диффузионному проводнику и кремниевому затвору cхс, мкм Перекрытие области канала затвором на его конце е, мкм   Минимальное расстояние между соседними стоковыми (истоковыми) областями и диффузионными проводниками f, мкм Минимальная ширина диффузионного проводника и охранного кольца g, мкм Минимальное расстояние между кремниевыми затворами k, мкм Минимальное расстояние между алюминиевыми затворами и между проводниками металлизации s, мкм	10, 0   6х6     3, 0     10, 0     8, 0   -   8, 0	4, 0   5х5     2, 0     5, 0     5, 0   4, 0   5, 0	4, 0   5х5     До охр. кольца (Al) 2, 0 5, 0     5, 0   4, 0   5, 0

Продолжение таблицы 1.1

Чертежи топологии	Наименование элемента топологии, наименование и обозначение размера	Вид топологии
p - МДП	n - МДП	КМДП
	Минимальная ширина проводников металлизации j, мкм Перекрытие проводником металлизации контактного окна ко всем областям t, мкм Расстояние от края кристалла до контактной площадки u, мкм Минимальный размер контактной площадки для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки v´ v, мкм Минимальное расстояние между контактными площадкам для ручной (числитель) и автоматизированной (знаменатель) термокомпрессионной сварки w, мкм Расстояние между контактными площадками и другими элементами схемы х, мкм	8, 0   3, 0	5, 0   2, 0	5, 0   2, 0
50х50

Продолжение таблицы 1.1

(1.1)

где μ – подвижность носителей заряда в канале, см²/(В·с);

С_з0 – удельная емкость затвора относительно канала, определяемая по формуле:

(1.2)

где ε _д – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

Пороговое напряжение связано с электрическими параметрами МДП – структуры соотношениями для р – канального транзистора:

(1.3)

для n – канального транзистора:

(1.4)

где φ _мп – разность потенциалов, определяемая разницей в работах выхода полупроводника и материала затвора (в случае с алюминиевого затвора эту величину определяют по графику (рисунок 1.2));

Q_ss, Q_п – соответственно плотности заряда поверхностных состояний на границе полупроводник – диэлектрик и пространственного заряда в полупроводнике;

φ _{Φ i} – потенциал, зависящий от положения уровня Ферми в полупроводнике относительно середины запрещенной зоны.

Плотности зарядов определяют по формулам:

(1.5)

(1.6)

где q – заряд электрона;

N_пов – плотность поверхностных состояний, см^-2, зависящая от качества поверхности и ее ориентации относительно плоскостей кристаллической решетки;

ε _п – диэлектрическая проницаемость полупроводника;

N₀ – концентрация примесей в полупроводнике.

где φ _т – температурный потенциал (0, 026 В);

n_i – собственная концентрация носителей в полупроводнике, равная для кремния 1, 5…2·10¹⁰ см^-3.

Рисунок 1.2 - Зависимость разности потенциалов φ _мп для системы Аl-Si от концентрации примеси в кремнии

1.3. Основные режимы работы и параметры транзисторов в цифровых ИМС

Основным схемным элементом цифровой МДП-ИМС является инвертор. Схемы различных инверторов отличаются по способу включения нагрузки. Схемы, где нагрузочный транзистор выполняет функцию резистора, относят к инверторам с пассивной нагрузкой, а схемы, где он выполняет функцию активного элемента - к инверторам с активной нагрузкой.

Инверторы могут работать в статическом и динамическом режимах. Основной статической характеристикой инвертора является его передаточная характеристика U_вых=f(U_BX). Так, на рис. 1.4 приведена передаточная характеристика инвертора, изображенного на рис. 1.3, а. Нагрузочный транзистор VT1 этого инвертора включен как нелинейный двухполюсник (затвор объединен со стоком). При этом пороговое напряжение ключевого и нагрузочного транзисторов одинаковы U₀₁ = U₀₂⁼U₀, что характерно для схем в интегральном исполнении.

Если концентрация примеси в подложке не более 10¹⁵ см^-3, то влиянием подложки можно пренебречь и расчет отношения значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов определяют по формуле:

(1.7)

Рисунок 1.3 – Схемы инверторов с пассивной нагрузкой: а) – с одним источником питания; б) – с двумя источниками питания

Рисунок 1.4 – Передаточная характеристика с нелинейной нагрузкой

При N₀> 10¹⁵ см^-3 необходимо учитывать влияние подложки, которая в данном случае является как бы вторым затвором в МДП - транзисторе.

Для повышения быстродействия на затвор нагрузочного транзистора часто подают напряжение от отдельного источника питания

(1.8)

Схема такого инвертора приведена на рис. 1.3, б. При повышении напряжения нелинейность статической характеристики уменьшается, и быстродействие схемы стремится в пределе к быстродействию инвертора с линейной нагрузкой. Расчет отношения значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов проводят по формуле:

(1.9)

Лучшую форму передаточной характеристики имеют КМДП-ИМС. Схема такого инвертора с активной нагрузкой приведена на рис. 1.5. При таком включении (затвор нагрузочного р - канального транзистора VT1 и ключевого n - канальноготранзистора VT2 соединены вместе, а исток каждого транзистора объединен с подложкой) VT1 и VT2 работают в противофазе, что улучшает быстродействие схемы. Напряжение питания для этой схемы:

Рисунок 1.5 - Схема инвертора с активной нагрузкой

Обычно статический режим инвертора рассчитывают так, чтобы при условии

и (1.10)

выполнялись неравенства:

(1.11)

Статическая помехоустойчивость инвертора U_пом характеризуется максимальным напряжением помехи, действующей на входе или выходе инвертора, но не нарушающей ее нормального функционирования.

Помехоустойчивость определяют из соотношения:

(1.12)

где U⁺_пом, U^-_пом – допустимые значения положительной и отрицательной статических помех.

Значения статических помех определяют по формулам:

(1.13)

(1.14)

При расчете статического режима инвертора для обеспечения заданной помехоустойчивости в рабочем диапазоне температур ИМС пороговые напряжения ключевого и нагрузочного транзисторов необходимо определять (при U₀₁= U₀₂= U₀) по выражению:

(1.15)

где TKU₀ – температурный коэффициент пороговых напряжений

При работе инвертора в динамическом режиме входное напряжение меняется скачкообразно от U_вхmin до U_вхmax, а нагрузка имеет чисто емкостной характер. Обычно быстродействие инвертора оценивают временем выключения t_выкл.

Для инвертора с пассивной нагрузкой (см. рисунок 1.3, а, 1.6, а, б) имеем:

(1.16)

Для инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания (см. рисунок 1.3, б, 1.6, а, б):

(1.17)

где

Рисунок 1.6 – Сложные схемы инверторов с пассивной нагрузкой: а) – элемент ИЛИ-НЕ; б) – элемент И-НЕ

Для инвертора с активной нагрузкой (см. рис. 1.5, 1.7, б):

(1.18)

для схем на рис. 1.7, а:

(1.19)

где n – число последовательных нагрузочных транзисторов;

Как правило, инвертор работает в составе сложных логических схем. При этом к инвертору предъявляются требования согласования электрических уровней с соединенными каскадами для передачи двоичной информации и обеспечения заданного быстродействия, которое достигается путем равномерного распределения задержек между каскадами по формуле:

(1.20)

где t_зад – требуемая задержка распространения сигнала;

n – количество последовательно включенных инверторов.

Рисунок 1.7 – Сложные схемы инвертеров с активной нагрузкой: а) – элемент ИЛИ-НЕ; б) – элемент И-НЕ

1.4 Конструирование элементов ИМС и разработка топологии кристалла МДП-ИМС

На кристалле ИМС размещают ключевые и нагрузочные МДП - транзисторы, охранные диоды и кольца, а затем проводят трассировку диффузионных шин и металлической разводки. На периферии кристалла размещают внешние контактные площадки для соединения с выводами корпуса и фигуры совмещения.

При конструировании транзисторов, работающих в активном режиме (к ним относятся ключевые транзисторы всех инверторов и нагрузочный транзистор инвертора на рис. 1.5) с целью получения малых паразитных межэлектродных емкостей необходимо выбирать по табл. 1.1 минимальную длину канала, обусловленную технологическими ограничениями:

l _ктехн= l _З-2i, (1.21)

Отношение b_К/ l _ктехн подгоняют к требуемому значению S₀₂, рассчитанному по формулам (1.7), (1.9). Если b_K/ l _ктехн> 20, то рекомендуется П-образная конфигурация ключевого транзистора

При конструировании нагрузочных пассивных МДП - транзисторов с целью уменьшения занимаемой ими площади рекомендуется выбирать минимальную ширину канала, обусловленную технологическими ограничениями согласно табл. 1.1:

для прямоугольной формы стока (истока) (1.22)

для ступенчатой формы стока (истока)

Длину канала получают путем подгонки отношения b_ктехн/ l _K, соответствующего требуемому значению удельной крутизны S₀₁, рассчитанному по выражениям (1.16), (1.17).

Охранные диоды используются во входных цепях цифровых МДП-ИМС и КМДП - ИМС. Они предназначены для предотвращения пробоя пленки затворного диэлектрика под действием статического электричества. Особенностью топологии является то, что электрический контакт к n - области диода VD1 и р - области диода осуществляется через подложку.

Охранные кольца применяют для устранения паразитных каналов в КМДП - структурах.

Охранные кольца формируют локальным легированием в процессе создания стоков и истоков р- и n- канальных транзисторов. При этом каждый р- и n- канальный транзистор окружают охранным кольцом соответственно n⁺ и р⁺ -типов. Для лучшей изоляции на кольцо р⁺-типа подают самый низкий, а на кольцо n⁺-типа - самый высокий потенциал схемы (U⁺_ип).

В таблице 1.1 приведен пример выполнения чертежа топологии охранного кольца р⁺-типа. С целью уменьшения площади, занимаемой охранными кольцами, рекомендуется использовать одно кольцо на группу транзисторов.

1.5. Порядок расчета параметров транзисторов р- и n- канальных МДП-ИМС

Эти транзисторы используются в инверторах рис. 1.3, а, 1.3, б, рис. 1.6. Порядок расчета:

1) рассчитывают требуемое пороговое напряжение МДП - транзисторов |U₀| для обеспечения заданной статической помехоустойчивости по формуле (1.15) при условии:

и ;

2) определяют удельную емкость затвора относительно канала С₃₀ для р- и n-канальных транзисторов по выражениям (1.3), (1.4);

3) находят толщину затворного диэлектрика h_д по (1.2);

4) определяют по схеме ИМС количество последовательно включенных инверторов n и время выключения каждого инвертора t_BЫKJI по выражению (1.20);

5) рассчитывают конструктивные параметры выходного инвертора;

а) технологическую ширину канала b_К1ТЕХН нагрузочного транзистора по табл. 1.1 и формуле (1.22);

б) удельную крутизну S₀₁ нагрузочных р- и n-канальных транзисторов по формулам (1.16) и (1.17) при заданной емкости нагрузки С_н;

в) отношение ширины канала нагрузочного транзистора к его длине b_К1ТЕХН/ l _К1 формуле (1.1) при заданных значениях подвижности носителей заряда в канале μ _р или μ _n;

г) технологическую длину канала l _К2ТЕХН ключевого МДП- транзистора по табл. 1.1 и формуле (1.21);

д) отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов m по формуле (1.7) при заданных U_ИП и U¹_ВХ=U¹_ВыХ;

е) отношение ширины канала ключевого транзистора к его длине b_к2/l_{к2технн} по величине m,;

ж) остальные конструктивные параметры нагрузочного и ключевого транзисторов по данным табл. 1.1;

6) рассчитывают конструктивные параметры промежуточного инвертора: после определения емкости нагрузки С_н промежуточного инвертора (С_н=1, 0…1, 5 пФ) ведут расчеты параметров по п. а), б), в), далее находят отношение значений удельной крутизны ключевого и нагрузочного транзисторов m: для р- канальных - по формуле (1.7) и для n- канальных - по формуле (1.9) при заданных U_ип1, U_ип2, U¹_вх=U¹_вых и затем конструктивные параметры согласно п. е) и ж);

7) рассчитывают конструктивные параметры входного инвертора (порядок расчета полностью совпадает с расчетом промежуточного инвертора).

1.6. Расчет комплементарных МДП-ИМС с кремниевыми затворами

Данные ИМС используются в инверторах (см. рис. 1.5, 1.7). Порядок расчета:

1) рассчитывают требуемое значение порогового напряжения МДП- транзисторов (U₀) для обеспечения заданной статической помехоустойчивости по формуле (1.15) при условии

U⁰_вх=U⁰_вых и U¹_вх=U¹_вх;

2) определяют удельную емкость затвора относительно канала С_З0 для р- и n- канальных транзисторов по формулам (1.3) и (1.4) при условии φ _МП=0;