Технология изготовления схемы

Курсовой проект

 

по дисциплине «Электроника и электротехника»

 

на тему «Расчет схемы ИЛИ-НЕ на КМОП транзисторах»

 

Вариант №72

 

 

Исполнитель Руководитель

ст. гр. СВБ-41 ст. преп. каф. ЭиЭ

______________Д.М. Фиронов ______________Л.М. Самбурский

 

Москва 2011

Оглавление

Исходные данные для проектирования. 3

Принцип работы схемы. 4

Технология изготовления схемы. 5

Процесс изготовления схемы. 7

Структура транзистора. 10

Расчет параметров элементов схемы. 11

Расчет удельной емкости подзатворного диэлектрика, коэффициентов крутизны и размеров канала. 11

Расчет порогового напряжение n-канального КМОП-транзистора. 12

Расчет порогового напряжения p-канального КМОП-транзистора. 13

Расчет емкостей. 14

Емкости р-п переходов. 14

Емкости перекрытия каналов. 15

Емкости под затворами. 16

Суммарная емкость. 16

Расчет с помощью программы P-Spice. 17

Передаточная характеристика схемы.. 18

Потребляемый ток. 20

Переходная характеристика схемы.. 21

Статическая и динамическая мощности, потребляемые схемой. 23

Топология всей схемы. 24

Сравнение с аналогами, выпускаемыми в промышленности. 25

Список использованной литературы. 25

 

 

Исходные данные для проектирования.

 

Дано:

 

КМОП схема ИЛИ-НЕ

Минимальный размер 5мкм,

Толщина окисла 40 нм.

 

Требуется:

1. Описать принцип работы схемы.

2. Выбрать и описать технологию изготовления схемы.

3. Нарисовать структуру транзистора.

4. Рассчитать параметры элементов схемы.

5. С помощью Spice рассчитать:

а) передаточную характеристику схемы;

б) переходную характеристику схемы;

в) потребляемый ток

г) статическую и динамическую потребляемую мощности

6. Нарисовать топологию всей схемы.

7. Сравнить с аналогами, выпускаемыми промышленностью.

 

 

Принцип работы схемы.

Название КМОП расшифровывается как “комплементарные МОП” и означает, что в структуре имеются МОП транзисторы с каналами различного типа: n-канальные и p-канальные. Условием комплементарности транзисторов является равенство (по модулю) их пороговых напряжений и крутизн.

Для реализации функции ИЛИ-НЕ применяется параллельное включение n-канальных и последовательное включение p-канальных транзисторов.

Таблица истинности для логического элемента ИЛИ-НЕ:

 

Bxl	Вх2	Вых

 

Т1 и Т2 - n-канальные, соединены параллельно (нижние в схеме);

ТЗ и Т4 - р-канальные, соединены последовательно (верхние в схеме).

Уровень логического нуля для КМОП схем приблизительно равен нулю, а уровень логической единицы приблизительно равен Е_{пит .}

 

 

Если на вход Вх1 подается уровень логической единицы, тогда транзистор Т1 открывается, а ТЗ закрывается. Следовательно на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход Вх2.

При подаче логической единицы на вход Вх2 транзистор Т2 открывается, а Т4 закрывается. Тогда, аналогично, на выходе получается логический ноль, независимо от того, что было подано на вход Вх1.

Если подаются логические нули на оба входа, то транзи­сторы Т1 и Т2 перекроются, а транзисторы ТЗ и Т4 будут открыты. В таком случае получается, что выход присоединен к питанию, и на выходе мы имеем уровень логической единицы.

 

 

Технология изготовления схемы.

Окисление – это технологический процесс, заключающийся в термическом выращивании слоя двуокиси кремня (весьма устойчивого изолятора) на поверхности кремниевых пластин. Этот процесс выращивания выполняется посредством нагрева кремниевых пластин до температуры около 1100^оС в обогащенной кислородом окружающей среде. Образовавшиеся слои окисла используются для защиты производимых микросхем от загрязнения и весьма часто используются интегральной технологии в процессе фотолитографии.

Фотолитография под p-карман. Фотолитографический процесс для производства интегральных микросхем начинается рисунков на прозрачной пленке (обычно увеличенных в 400 раз по сравнению с окончательной микросхемой). Эти оригиналы определяют области, которые должны быть защищены с помощью кислотоустойчивой эмульсии. Оригиналы фотографируются, уменьшаются и многократно повторяются (мультиплицируются) на фотопластинке так, чтобы можно было изготовить одновременно сотни микросхем на одной кремниевой пластинке. Стеклянные негативы или фотошаблоны, получающиеся в результате фотолитографического процесса, используются при производстве интегральных схем на комплементарных МОП структурах. Фотошаблоны накладываются на кремниевые пластины, предварительно окисленные и покрытые слоем фоточувствительной эмульсии. Экспозиция ультрафиолетовым светом через маску вызывает полимеризацию незащищенных областей эмульсии. После того, как не полимеризованная эмульсия будет химически растворена, полимеризованная эмульсия останется и защитит низлежащие области во время химического травления слоя окисла.

Когда эмульсия, часто называемая фоторезистором, будет снята, в определенных местах кремниевой пластины останутся слои двуокиси кремния.

Образование окон в слое окисла позволяет приступить к селективному легированию пластин в открытой трубе.

Диффузия бора включает предварительное окисление в сухом кислороде пластин нитрида бора, расположенных в держателе перпендикулярно потоку газа, размещение кремниевых пластин в держателе посередине зазора между пластинами нитрида бора, последующую термообработку кремниевых пластин в атмосфере сухого кислорода при температуре в диапазоне 840-900^oС, изменение атмосферы на нейтральную, повторную термообработку при температуре 840-900^oС или 780-840^oС. При этом кислород и нейтральный газ подвергают осушке пропусканием через концентрированную серную кислоту, а загрузку кремниевых пластин в держатель осуществляют в сухой атмосфере. Технический результат изобретения заключается в создании областей, легированных бором, с высокой степенью равномерности и воспроизводимости высоких значений поверхностного сопротивления.

Легирование методом открытой трубы. При производстве интегральных схем на КМОП структурах требуется определенным образом расположить области n- и p-типов на кремниевой пластине. Это можно выполнить с помощью нагрева кремниевых пластин до 1100оС в обогащенной легирующей примесью среде. Селективное легирование в желаемые области осуществляется через вытравленные в двуокиси кремния окна. Легирование оказывается селективным потому, что примесь диффундирует в кремний (через вытравленные окна) значительно легче, чем в слой окисла. Таким образом, в процессе легирования слой двуокиси кремния используется как высокотемпературная маска, несущая изображение исходных фотошаблонов.

Итак, высокотемпературная обогащенная легированной смесью среда позволяет создать n- и p- области, которые используются в качестве стоков и истоков КМОП транзисторов. Обычно после того, как селективная диффузия некоторого количества примеси в пластину проведена, примесь перераспределяется (разгоняется) для увеличения глубины залегания p-n перехода. Процесс разгонки состоит в нагревании кремниевых пластин в инертной среде. Этап легирования часто называется загонкой примеси. Загонка, сопровождаемая разгонкой, приводит к созданию стоков и истоков КМОП транзисторов с контролируемой степенью легирования и контролируемой глубиной залегания перехода.

Ионная имплантация. В процессе производства КМОП транзисторов требуется создать подложку n- типа, в которой будут размещены транзисторы с каналами p- типа, а также области подложки p- типа для размещения транзисторов с каналами n- типа. Для решения этой задачи применяется ионная имплантация. С ее помощью в кремниевой пластине n- типа создаются островки p- типа, которые используются в качестве подложки для n-канальных транзисторов. Ионная имплантация применяется на этом этапе потому, что концентрация легирующей области в p-области, расположенной непосредственно под электродом затвора МОП транзистора с каналом n-типа, играет существенную роль в формировании порогового напряжения. Сильное легирование в этой области повышает пороговое напряжение, а слабое снижает его. Главная причина применения ионной имплантации для решения этой критичной к легированию задачи состоит в способности метода достаточно точно воспроизводить концентрацию примеси. В основе ионной имплантации лежит ускорение ионизированного газа, состоящего из атомов легирующей смеси. В процессе работы ионы примеси ускоряются с помощью пары широко разнесенных электродов, к которым обычно прикладывается напряжение 105 В. Ионы примеси набирают громадную скорость к тому моменту, когда они достигают пластинки электрода, притягивающего их. К этому электроду прикрепляется кремниевая пластина n-типа, подлежащая имплантации. Дозирование может осуществляться изменением ионного тока, который измеряется «условным» амперметром. Этот амперметр измеряет ток через источник высоковольтного напряжения.

Напыление. На пластинах с КМОП структурами могут быть созданы посредством напыления слои других материалов, отличных от двуокиси кремния. Обычно процесс напыления состоит в нанесении вещества, растворенного в вакуумной камере или распыленного химическим образом в высокотемпературном реакторе. Все интегральные микросхемы на КМОП структурах имеют металлические, обычно алюминиевые слои, служащие соединительными проводниками схемы. Эти слои обычно напыляются, и на одной из последних стадий производства микросхемы придается требуемый рисунок с помощью литографии.

Слои двуокиси кремния могут быть нанесены химическим способом при температурах значительно меньших 1000оС, используемых при термическом окислении. В процессе химического напыления используется реакция обогащенного кремнием газа и кислорода. Эта реакция ускоряется благодаря высокой температуре пластины и приводит к напылению слоя окисла на ее поверхности. Полученные таким образом слои имеют худшие электрические свойства, чем слои, полученные при высокотемпературном окислении, но их тем не менее целесообразно использовать, когда число высокотемпературных этапов должно быть минимизировано.

 

В изготовлении КМОП-схем применяются технологии самосовмещенного кремниевого затвора и ионного внедрения. Технология самосовмещенного кремниевого затвора подразумевает, что на общей подложек формируются транзисторы с каналами р-типа и n-типа. Методом фотолитографии из поликристаллического кремния формируют шины затвора шириной 3..5 мкм и проводники первого (если не считать диффузионных шин) слоя межэлементных соединений. Диффузия примесей, производимая после формирования дорожек из ППК. Приводит к формированию областей истоков и стоков и одновременно к легированию ППК, что снижает его поверхностное сопротивление. Шины затвора из ППК защищают при диффузии области каналов от проникновения акцепторной примеси, благодаря чему области истоков и стоков автоматически совмещаются с затвором и обеспечивают перекрытие затвором этих областей менее 1 мкм.