Курсовая: Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-инвертора
Курсовая: Математическое моделирование технологического процесса изготовления ТТЛ-инвертора
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 |
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: NS- 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:
|
1.3 Распределение примесей в эмиттере
Эмиттерную диффузию ведут в одну стадию и распределение примеси описывается erfc-функцией: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 D 0 энергия активации для фосфора равны 10,5 и 4,08 соответственно. Тогда получаем:Параметр | Эмиттерная диффузия | Базовая диффузия | |
Загонка | Разгонка | ||
Dt, | |||
D, | |||
t | 98мин 33с | 15мин 48с | 53мин 44с* |
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 |
2 Расчет слоевых сопротивлений биполярного транзистора
Слоевые сопротивления для базовой и эмиттерной областей рассчитываем по следующей формуле: , (9) где q = 1.6ּ10 -19 Кл – заряд электрона; N(x,t) – распределение примеси в данной области транзисторной структуры; μ(N(x,t)) – зависимость подвижности от концентрации примеси. Зависимость подвижности от концентрации примеси определяется по формулам:3 Расчет основных параметров инвертора
Схема инвертора представлена на рисунке 3.Рисунок 3-Схема инвертора
В данной курсовой работе необходимо определить следующие параметры инвертора: · напряжение логических уровней; · пороговое напряжение; · времена задержки; · помехоустойчивость схемы; · среднюю потребляемую мощность. Прежде чем приступить к расчету основных параметров инвертора, учтем влияние технологического процесса на номиналы резисторов. В данной работе мы будем выполнять высокоомные резисторы на основе базового слоя, а низкоомные на основе эмиттерного слоя, то естественно, что изменение температуры будет сказываться на номиналах резисторов. Это связано с тем, как было описано выше, слоевое сопротивление изменяется с изменением температуры. Учитывая все выше сказанное и выражение: , где: l,b – геометрические размеры резисторов. Тогда: , где: R’ – сопротивление с учетом температуры. Таблица 4 – Сопротивления резисторов при различных температурахR, Ом | Т=1100 0С | Т=1101,5 0С | Т=1098,5 0С |
R1 | 20ּ103 | 19.8ּ103 | 20.20ּ103 |
R2 | 1.5ּ103 | 1.48ּ103 | 1.51ּ103 |
R3 | 8ּ103 | 7.98ּ103 | 8.08ּ103 |
R4 | 120 | 101.7 | 123.52 |
R5 | 3ּ103 | 2.97ּ103 | 3.03ּ103 |