Курсовая работа: Основы проектирования интегральных микросхем широкополосного усилителя

Удельное сопротивление подложки выбирается исходя из требований к рабочему напряжению коллекторного перехода транзистора. При этом напряжение пробоя перехода коллектор-подложка должно быть больше, чем пробивное напряжение перехода коллектор-база. Удельное сопротивление подложки должно быть как можно большим. Это обеспечивает одновременно малую паразитную емкость перехода коллектор-подложка, но и надо иметь в виду, что одновременно будет увеличиваться сопротивление тела подложки, а это есть паразитный параметр, который сказывается на частотных свойствах. Удельное сопротивление подложки ρ - должно выбираться компромиссным путем из диапазона 1...10 Ом∙см. Толщина подложки должна обеспечивать механическую прочность микросхемы и она выбирается из диапазона hр =250...500 мкм.

Уровень легирования эпитаксиального слоя выбирается исходя из нескольких противоречивых требований:

-для высокого пробивного напряжения изолирующего перехода и для малой удельной емкости переходов необходимо, чтобы уровень легирования эпитаксиального слоя был как можно меньше (но чуть больше уровня легирования подложки);

-для уменьшения последовательного сопротивления тела коллектора, которое влияет на частотные свойства, уровень легирования должен быть как можно выше.

Эти противоречивые требования приводят к следующему компромиссу: сопротивление эпитаксиальной пленки выбирается таким, чтобы оно обеспечивало заданное высоковольтное напряжение самого высоковольтного транзистора с учетом способа его изготовления. Это приводит к выбору значения удельного сопротивления из диапазона ρк = 0,15…5 Ом∙см. Но при всех реальных параметрах транзисторов такие значения удельного сопротивления приводят к завышенному значению сопротивления тела коллектора. Во избежании этого вводят высоколегированный n+-слой. Т.к. напряжение коллектор – база транзисторов составляет Uкб = 12 В, то есть в несколько раз меньше пробивного напряжения перехода коллектор – база, следовательно не необходимости в применении дополнительных мерах защиты от пробоя.

Толщина эпитаксиальной пленки должна по возможности быть как можно меньше, но существует следующее ограничение:

,(1.1)

где

hэп-глубина залегания коллекторного перехода;

-глубина проникновения n+-области в эпитаксиальный слой при всех температурных режимах формирования структуры;

-ширина области пространственного заряда перехода коллектор-база при рабочем напряжении;

-все технологические погрешности.

Скрытый n+-слой изготавливается для того, чтобы обеспечить минимальное сопротивление тела коллектора. Исходя из этой задачи скрытый слой должен быть максимально легирован, но должна быть обеспечена невозможность смыкания этого слоя с базой при подаче на этот переход коллектор-база рабочего напряжения. При этом расползание слоя при дальнейших технологических операциях должно быть строго контролировано. Поверхностное сопротивление скрытого слоя обычно составляет RSСС = 6...8 Ом/квадрат, толщина hсс = 3...8 мкм, поверхностная концентрация легирующих примесей (часто это сурьма из-за невысокого коэффициента диффузии при высоких температурах) RSСС = 1018…1019 см-3.

Базовая область изготавливается методом диффузии, поэтому является неоднородно легированной. Степень легирования выбирается из следующих требований:

-для увеличения напряжения пробоя перехода эмиттер-база и эффективности эмиттера следует легировать базу как можно меньше;

-снижение уровня легирования увеличивает паразитное сопротивление базы и ухудшает частотные характеристики транзистора;

-если базу слабо легировать, так что поверхностная концентрация будет составлять NSб ≤ 5∙1016 см-3, то это может привести к инверсии проводимости поверхностного слоя базы и выходу транзистора из строя.

Поверхностная концентрация примесей составляют примерно NSб = 1016…1019 см-3. Толщина металлургической базы ω0 = 0,5…1,0 мкм, среднее удельное сопротивление базовой области ρб = 0,1…1,0 Ом∙см, поверхностное сопротивление пассивной базы RSбП = 100…200 Ом/квадрат, поверхностное сопротивление активной базы RSба = 5…20 кОм/квадрат.

Уровень легирования эмиттерной области долже быть как можно выше. Но если уровень легирования достигает NSЭ ≈ 1021 см -3, тогда уменьшается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению эффективности эмиттера. Поэтому уровень легирования выбирается из диапазона NSЭ = 1019…5∙1020 см-3, поверхностное сопротивление составляет RSэ = 5…7 Ом/квадрат. Глубина залегания перехода эмиттер-база определяется, как:

,(1.2)

Глубина разделительной диффузии должна быть чуть больше толщины эпитаксиальной пленки, так чтобы обеспечивалось слитие этой области с подложкой. Уровень легирования этой области должен быть достаточно высок для эффективной изоляции p-n перехода на кристалле повышенной площади.

В полупроводниковых микросхемах в качестве межэлементных соединений применяются проводники из пленки алюминия. Для исключения пересечений проводников используется 3 основных метода: многослойная металлизация, прокладка шин металлизации над каналами резисторов, защищенными слоем SiO2 и проводящие диффузионные перемычки под слоем двуокиси кремния.

Минимальная ширина металлизированной дорожки (при заданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока. Толщина слоя Al шин металлизации составляет порядка 1,5 мкм и шина имеет удельное сопротивление слоя RS ≈ 0,05 Ом/квадрат Значение RS для пленки приблизительно в 2,5…3 раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления алюминия. Это связано с миграцией Al от коллекторных контактов выходных транзисторов, что повышает сопротивление тела коллектора, рост нитей Al, приводит к закорачиванию эмиттерных p-n переходов и другое.

Геометрические размеры контактных площадок определяются базовой технологией изготовления микросхем и составляют часто 100 × 100 мкм. Площадь контактных площадок должна обеспечивать хорошее соединение. Их целесообразно размещать под отдельными изолированными областями для уменьшения результирующей паразитной емкости и исключение опасности коротких замыканий при дефекте в окисле.

2 Проектирование и расчет геометрических размеров элементов ИМС

В данном разделе приведена методика расчетов геометрических размеров биполярных транзисторов и геометрических размеров резисторов.

2.1 Расчет биполярных интегральных транзисторов

В полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах основным является n-p-n транзистор. Все n-p-n транзисторы можно разделить на 2 группы:

а. Универсальные,