21

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= 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, 0С	ХJe, мкм	Примесь	NS, см -3	Толщина, мкм	Nb, см -3
3	мышьяк	1100	0,4	бор	2ּ10 18	0,6	1,5ּ10 16

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:

, (1)

где: N_S- поверхностная концентрация акцепторов;

D- коэффициент диффузии примеси;

t- время диффузии;

- глубина залегания коллекторного p-n перехода.

Поверхностная концентрация определяется по формуле:

, (2)

Из формулы 1 выражаем D₂t₂:

Тогда имеем следующее выражение для распределения примеси в базе:

, (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

В результате получим:

Коэффициент диффузии примеси определяется из выражения Аррениуса:

, (4)

где =5.1 (для бора) – постоянная диффузии,

=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:

1.3 Распределение примесей в эмиттере

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

(5)

где - концентрация предельной растворимости мышьяка в кремнии при заданной температуре (1100С);

- глубина залегания эмиттерного p-n перехода.

Диффузия мышьяка идёт в неоднородно легированную базовую область, поэтому расчётная формула усложняется:

(6)

где при 1100С;

.

Подставив эти значения в выражение 6 получим: .

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 для фосфора равны 10,5 и 4,08 соответственно. Тогда получаем:

Решив это уравнение получим:

;

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:

. (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 диффузия	Базовая диффузия
		Загонка	Разгонка
Dt,
D,
t	98мин 33с	15мин 48с	53мин 44с*

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

Совмещённое распределение примесей определяется выражением:

(8)

где , , - 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 примеси	Распределение примеси в эмиттере	Распределение примеси в базе	Суммарное распределение
x, см	N(x), см -3	N(x), см -3	N(x), см -3
0	1,6ּ10 21	2ּ10 18	1,59ּ10 21
4ּ10 –6	1,17ּ10 21	1,98ּ10 18	1,17ּ10 21
8ּ10 –6	7,81ּ10 20	1,94ּ10 18	7,79ּ10 20
1,2ּ10 –5	4,83ּ10 20	1,86ּ10 18	4,81ּ10 20
2,8ּ10 –5	2,59ּ10 19	1,36ּ10 18	2,45ּ10 19
3,2ּ10 –5	9,13ּ10 18	1,21ּ10 18	7,98ּ10 18
3,6ּ10 –5	3,13ּ10 18	1,06ּ10 18	2,05ּ10 18
4,8ּ10 –5		6,47ּ10 17	6,32ּ10 17
5,6ּ10 -5		4,31ּ10 17	4,16ּ10 17
6,4ּ10 –5		2,69ּ10 17	2,54ּ10 17
7,2ּ10 –5		1,58ּ10 17	1,43ּ10 17
8ּ10 –5		8,73ּ10 16	7,23ּ10 16
8,8ּ10 –5		4,52ּ10 16	3,02ּ10 16
9,6ּ10 –5		2,02ּ10 16	7,02ּ10 15
1,05ּ10 –4		9,08ּ10 15	5,91ּ10 15
1,1ּ10 –4		5,37ּ1015	9,62ּ10 15
1,15ּ10 –4		3,09ּ10 15	1,19ּ10 16
1,2ּ10 –4		1,74ּ10 15	1,33ּ10 16
1,3ּ10 –4		5,13ּ10 14	1,44ּ10 16
1,4ּ10 -4		1,36ּ10 14	1,48ּ10 16
1,5ּ10 –4		3,31ּ10 13	1,49ּ10 16