Микроэлектроника и функциональная электроника (разработка топологии ИМС) (стр. 4 из 5)
1. Выбираем тип резистора, исходя из его номинального сопротивления. В расчитываемой схеме все резисторы целесообразно изготовить дифузионными, сформированными в базовом р-слое.
2. Расчитываем удельное поверхностное сопротивление:
 | ( 5.2) |
где Na0 – концентрация акцепторов у поверхности базы, см-3 ;
N – концентрация акцепторов в базе, см-3 ;
Nдк – концентрация доноров в коллекторном слое, см-3 ;
q – единичный заряд, Кл;
m - подвижность носителей заряда, см2/В·с;
W – глубина коллекторного p-n перехода, мкм;
Для расчета принимаем Na0 = 8*1018 см-3 ; Nдк = 1016 см-3 ; значения интегралов расчитываются численными методами на основе существующих зависимостей подвижности носителей от их концентрации. В результате rS= 222,81 Ом/. Типичное значение поверхностного сопротивления базовой области - 200 Ом/, расчитанное значение показывает приемлемость использования выбранных концентраций.
3. Рассчитываем коэффициент формы резисторов и его относительную погрешность:
 | ( 5.3) |
 | ( 5.4) |
где DrS/rS – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, которая вызвана особенностями технологического процесса, для расчета примем ее равной 0,05; ТКR – температурный коэффициент сопротивления базового слоя, он равен 0,003 1/°С.
Результаты расчета следующие:
| R1 - R4 : | КФ = 21,094; DКФ/ КФ = 0,00474 |
| R5 : | КФ = 15,719; DКФ/ КФ = 0,00636 |
4. Рассчитаем минимальную ширину резистора bточн, которая обеспечит заданную погрешность геометрических размеров:
 | ( 5.5) |
где Db – погрешность ширины резистора;
Dl – погрешность длины резистора
В нашем случае
| R1 - R4 : | bточн = 1,0455 мкм |
| R5 : | bточн = 1,0617 мкм |
5. Определяем минимальную ширину резистора bP, которая обеспечит заданную мощность Р:
 | ( 5.6) |
где Р0 – максимально допустимая мощность рассеяния для всех ИМС, для полупроводниковых ИМС Р0 = 4,5 Вт/мм2.
В нашем случае
| R1 - R4 : | bр = 3,5183 мкм |
| R5 : | bр = 34,1512 мкм |
6. Расчетное значение ширины резистора определяется максимальным из расчитанных значений:
bрасч = max{ bP , bточн }
| R1 - R4 : | bрасч = 3,5183 мкм |
| R5 : | bрасч = 34, 1512 мкм |
Расчеты b для R1 - R4 дают значение ширины резистора меньше технологически возможной (5 мкм), поэтому для последующих расчетов принимаем bрасч = 5 мкм
7. С учетом растравливания окон в маскирующем окисле и боковой диффузии ширина резистора на фотошаблоне должна быть несколько меньше расчетной:
| bпром = bрасч – 2(Dтрав - Dу) | ( 5.7) |
Dтрав – погрешность растравливания маскирующего окисла,
Dу – погрешность боковой диффузии
для расчета примем Dтрав = 0,3 ; Dу = 0,6 тогда
| R1 - R4 : | bпром = 5,6 мкм |
| R5 : | bпром = 34,7512 мкм |
8. Выберем расстояние координатной сетки h для черчения равным 1 мм и масштаб чертежа 500:1, тогда расстояние координатной сетки на шаблоне
мкм.9. Определяем топологическую ширину резистора bтоп . За bтоп принимают значение большее или равное bпром значение, кратное расстоянию координатной сетки фотошаблона.
В нашем случае
| R1 - R4 : | bтоп = 6 мкм |
| R5 : | bтоп = 34 мкм |
10. Выбираем тип контактных площадок резистора. Исходя из расчитанной топологической ширины выбираем для R1 - R4 площадку, изображенную на рис.1а, для R5 – на рис. 1б.
 |
 |
| а | б | ||
| Рис. 1 Контактные площадки | |||
11. Находим реальную ширину резистора на кристалле, учитывая погрешности, вызванные растравливанием окисла и боковой диффузией:
| b = bтоп + 2(Dтрав + Dу) | ( 5.8) |
В нашем случае:
| R1 - R4 : | b= 7,8 мкм |
| R5 : | b = 35,8 мкм |
12. Определяем расчетную длину резистора:
| lрасч = b(R/rS – n1k1 – n2k2 – 0,55Nизг | ( 5.9) |
где Nизг – количество изгибов резистора на 90°; k1, k2 – поправочные коэффициенты, которые учитывают сопротивление околоконтактных областей резистора при разных конструкциях этих областей; n1, n2 – количество околоконтактных областей каждого типа.
В нашем случае
| R1 - R4 : | lрасч = 198,579 мкм |
| R5 : | lрасч = 284,4 |
13. Расчитаем длину резистора на фотошаблоне, учитывая растравливание окисла и боковую диффузию:
| lпром = lрасч + 2(Dтрав + Dу) | ( 5.10) |
в нашем случае
| R1 - R4 : | lпром = 200,84 мкм |
| R5 : | lпром = 286,2 мкм |
14. За топологическую длину резистора lтоп берем ближайшее к lтоп значение, кратное расстоянию координатной сетки на фотошаблоне.
В нашем случае
| R1 - R4 : | lтоп = 200 мкм |
| R5 : | lтоп = 286 мкм |
15. Расчитываем реальную длину резистора на кристалле:
| l = lтоп - 2(Dтрав + Dу) | ( 5.11) |
| R1 - R4 : | l = 198,2 мкм |
| R5 : | l = 284,2 мкм |
16. Определяем сопротивление рассчитанного резистора
| Rрасч = rS ( 1/b + n1k1 + n2k2 + 0,55Nизг) | ( 5.12) |
В нашем случае
| R1 - R4 : | Rрасч = 4732, 991 Ом |
| R5 : | Rрасч = 3301, 55 Ом |
Погрешность расчета:
 | ( 5.13) |
В нашем случае
| R1 - R4 : | DRрасч = 0,007 |
| R5 : | DRрасч = 0,00046 |
Результаты расчета вполне удовлетворяют заданной погрешности.
6. Последовательность расчета МДП – конденсатора.
МДП-конденсаторы (металл-диэлектрик-полупроводник) используют в качестве диэлектрика тонкий слой (0,05…0,12 мкм) SiO2 или Si3N4 . Нижней обкладкой служит высоколегированный эмиттерный слой, верхней – пленка алюминия толщиной от 5000
до 1 мкм. Типичный МДП-конденсатор представляет собой обыкновенный плоский конденсатор, и его емкость определяется по формуле, пФ:  | ( 6.1 ) |
где eд/э – диэлектрическая постоянная диэлектрика; e0 – диэлектрическая постоянная вакуума, e0=8,85·10-6 пФ/мкм; S – площадь верхней обкладки, мкм2; d – толщина диэлектрика, мкм.
В противоположность диффузионным конденсаторам МДП-конденсаторы могут работать при любой полярности приложенного напряжения. Кроме того, их емкость не зависит от приложенного напряжения и частоты переменного тока.
Исходные данные для расчета.
необходимое значение емкости: С = 20 пФ;
допуск на емкость: DС = 20%;
рабочее напряжение: U = 4 В;
интервал рабочих температур (УХЛ 3.0): Тmin = -60 °C, Тmax = +40°С;
рабочая частота: 500 МГц.
1. Задаемся напряжением пробоя конденсатора исходя из заданного рабочего напряжения:
| Uпр = (2…3)U | ( 6.2) |
В нашем случае Uпр = 12 В.
2. Определяем толщину диэлектрика, мкм:
| d = Uпр / Епр | ( 6.3) |
где Епр – электрическая прочность диєлектрика, для SiO2 Епр = 103 В/мкм.
В нашем случае d = 0,012 мкм
3. Емкость МДП – конденсатора определяется по формуле, ( 6.1), пФ, исходя из которой площадь верхней обкладки, мкм2: