В ходе выполнения курсовой работы ... микросхемы, реализующую мультиплексор 16 в ... АННОТАЦИЯ

АННОТАЦИЯ
В ходе выполнения курсовой работы была разработана топологическая схема
микросхемы, реализующую мультиплексор 16 в 1. В работе представлена
схемотехническая часть, содержащая информацию об элементной базе, базовых
логических элементах. В графической части работы представлены чертежи базовых
логических элементов 4И-НЕ и НЕ с их топологическими чертежами (все чертежи на
листах формата А3),
электрическая структурная схема мультиплексора (А3),
электрическая структурная схема мультиплексора реализованная посредством базовых
логических элементов (А3), Послойная топология микросхемы (все чертежи на листах
формата А3). Совмещенная топологический чертеж микросхемы.(A1).
THE SUMMARY
In the course of the course work was developed topological circuit chip that implements
the multiplexer 16 to 1. In this work a part schematic, which contains information about
hardware components, basic logic elements. In the graphic part of the work presented drawings
of basic logic gates 4AND-NOT and NOT with their topological drawings (all drawings on
sheets of A3 size), electric block diagram of a multiplexer (A3), electric block diagram of the
multiplexer is realized by means of basic logic elements (A3), layer by layer topology integrated
circuits (all drawings on sheets of A3). Combined topological drawing circuits. (A1).
1
СОДЕРЖАНИЕ
1
Исходные данные...................................................................................................................3
1.1 Постановка задачи ............................................................................................................3
1.2 Описание работы мультиплексора..................................................................................3
1.3 Выбор базовых логических элементов ...........................................................................4
1.4 Исходные параметры .......................................................................................................5
2
Расчёт параметров диффузии при формировании рабочих областей транзистора ..........6
2.1 Формирование р – кармана ..............................................................................................6
2.2 Формирование р+ - областей (области стока и истока p-канального транзистора) ..7
2.3 Формирование n+ - областей (области стока и истока n-канального транзистора) ..7
3
Расчет удельного поверхностного сопротивления .............................................................8
4
Расчет градиентов концентрации примесей на донной и боковой части переходов ......9
5
Расчет пробивного напряжения на переходах...................................................................10
6
.
Расчет порогового напряжения n- и p-канальных транзисторов, а также паразитных ....
транзисторов .........................................................................................................................10
7
Подходы к компоновке и разводке .....................................................................................12
8
Расчет номинального зазора в знаках совмещения ..........................................................13
9
Топологические нормы для проекта «Курсовая работа» .................................................14
Список использованных источников.........................................................................................15
Приложения1 ...............................................................................................................................16
Приложения2 ...............................................................................................................................17
2
1. Исходные данные
1.1 Постановка задачи.
Спроектировать топологию микросхемы на основе базового логического элемента.
Выделить на принципиальной схеме заданного базового элемента все элементы и
рассмотреть их с точки зрения интегральной технологии. Назначить параметры
физической структуры из рекомендованных значений. Рассчитать режимы легирования
всех областей. Рассчитать удельное поверхностное сопротивление областей. Рассчитать
градиенты концентраций примесей на боковой и донной части переходов. Рассчитать
пробивное напряжение на переходах. Для КМОП-элементов рассчитать пороговое
напряжение n- и p-канальных транзисторов, а также паразитных транзисторов.
1.2 Описание работы мультиплексора.
Реализуемый мультиплексор 16 в 1 имеет 16 информационных входов, четыре
управляющих входа, и один вход запрещения/разрешения работы. Количество
управляющих и запрещающих входов может варьироваться в соответствии с реализуемой
системой мультиплексора в базисе заданных логических элементов.
Рисунок 1 – Мультиплексор 16:1 в базисе логических элементов.
На информационные входы I1-I16 одновременно поступают сигналы различных
уровней. На выходе Out появляется только один из 16 информационных сигналов. Номер
3
входного сигнала, который появляется на выходе определяется с помощью управляющих
сигналов VA-VD. Сигналы VA и VB управляют входным каскадом логических элементов,
а VC и VD выходным каскадом логических элементов. Если на логический элемент 4ИНЕ подается низкоуровневый управляющий сигнал, то элемент считается не рабочим, так
как на его выходе тоже будет низкоуровневый сигнал, независимо от уровней других трех
сигналов.
Входной сигнал разрешения/запрещения работы мультиплексора должен подавать на
логические элементы высокоуровневый сигнал, иначе элементы будут считаться
нерабочими. Для входного каскада элементов сигнал разрешения/запрещения работы V1,
для выходного V2. Схема будет работать, если V1 будет иметь высокий уровень, а V2
будет иметь низкий уровень, т.к. сигнал V2 проходит через инвертор 29. Этот способ
реализуется только в данной схеме.
1.3 Выбор базовых логических элементов.
Мультиплексор 16в1, легче всего реализовать с помощью логиских элементов 4И-НЕ и
НЕ, ниже представлены чертежи принципиальных электрических схем, которые
реализуют в себе эти логически элементы, на этапе постановки задачи мы будем их
использовать, чтобы получить временную диаграмму работы мультиплексора. А затем
разработаем топологические схемы данных элементов.
Рисунок 2 - Принципиальная схема БЛЭ НЕ
Базовый логический элемент инвертор инвертирует сигнал, меняя его с высокого
уровня на низкий и с низкого уровня на высокий.
4
Рисунок 3 - Принципиальная схема БЛЭ 4И-НЕ
Рассчитаем технологию получения КМОП-транзисторов. Этого будет достаточно для
синтеза БЛЭ.
1.4 Исходные параметры
Исходные данные согласно варианту задания представлены в таблице 1.
№
1
Таблица 1 – Исходные данные
Параметр
Толщина области p-кармана (p-well), мкм
Значение
2,2
2
Толщина областей стока и истока p-канального (pplus) и n-канального
(nplus) транзистора, мкм
1,7
3
Толщина изолирующего окисла (SiO2), мкм
0,55
4
Толщина подзатворного диэлектрика (SiO2), мкм
0,09
5
Ширина поликремниевого затвора (gate), мкм
6
Толщина металлизации, мкм
7
Концентрация примеси в подложке, см-3
4·1015
8
Концентрация примеси p-кармана, см-3
6·1016
9
Концентрация примеси истока и стока p-канального транзистора, см-3
5·1020
10
Концентрация примеси истока и стока n-канального транзистора, см-3
6·1020
5
0,8
Примеси: p-области: бор, n-области: фосфор.
5
2. Расчёт параметров диффузии при формировании рабочих областей
транзистора
2.1 Формирование р – кармана
Поскольку р-карман имеет невысокую поверхностную концентрацию и
значительную глубину, то для его формирования используется двухстадийный процесс
термической диффузии.
Исходные данные:
Толщина области p-кармана: xп= 2,2 мкм;
Концентрация примеси p-кармана: Ν0 = 6·1016 см-3;
Концентрация примеси в подложке: Nисх= Nподл = 4·1015 см-3.
Расчёт параметров загонки:
Вычислим произведение коэффициента диффузии на время разгонки:
Dр t р 
x n2
 N 
4  ln  0 
 N ucx 

2.4 10 
6 2
 4 10 

4  ln 
15 
 2 10 
16
 4.47 10 13 ( м 2 )  4.47 10 9 (см 2 ) .
Необходимо задать значение поверхностной концентрации примеси N○з из условия
N○ < N○з < Nпред. Поскольку в данном случае примесью является бор, то Nпред = 5·1020 см-3.
Значит 6·1016 < N○з < 5·1020 . Выберем N○з = 3·1018 см-3.
Задавшись температурой разгонки t°р = (1000…1200)°C = 1100°С, по графику
D = f(t°, N○з , Nисх ) [1], найдём Dр = 10 -13 см2/с.
Вычислим время разгонки:
tp 
Dp  t p
Dp

4.47  10 9
 44681.4с  744,69 мин.
10 13
Вычислим необходимую дозу легирования:
Q  N 0    D р  t р  6  1016    4,47  10 9  7.1  1012 см 2 .
Расчёт параметров загонки
Вычислим произведение коэффициента диффузии на время разгонки:
Q 
Dз  t з  
 2  N03

2
12


   7.1  10  
 2  3  1018



2

  4.41  10 12 см 2 .


6
Задавшись температурой загонки t°з = (800…1000)°C = 950°С, по графику
D = f(t°, N0з , Nисх ) [1], определим Dз = 2· 10-15 см2/с.
Вычислим время загонки:
tз 
Dз  t з 4.41  10 12

 2205с  36.75 мин.
Dз
2  10 15
2.2 Формирование р+ - областей (области стока и истока
p-канального транзистора)
Поскольку р+ - области имеют высокую поверхностную концентрацию и малую
глубину, то для их формирования применим одностадийный процесс термической
диффузии.
Исходные данные:
Толщина областей стока и истока p-канального транзистора: xp = 1.7 мкм;
Концентрация примеси истока и стока p-канального транзистора: N0= 5·1020 см-3;
Концентрация примеси в подложке: Nисх = Nподл = 4·1015 см-3.
Расчёт параметров загонки
Вычислим значение функции ошибок:
 x p  N ucx 4 1015

erfc(V )  erfc

 8.0 10 6 .
 2 D t  N 0 5 10 20
з з 

Из таблицы значений функции erfc(V) [1], определим V = 3,2.
Вычислим произведение коэффициента диффузии на время диффузии:
 xp
D  t  
 2 V
2
2
  1.7  10  4 
  
  7.06  10 10 см 2 .
  2  3,2 
Задавшись температурой легирования t° = (1000…1200)°C = 1200°С, по графику
D = f(t°, N○з , Nисх) [1], определяем D = 2·10-12 см2/с.
Вычислим время диффузии:
t
D  t 7.06  10 10

 352.8с  5,88 мин.
D
2  10 12
2.3 Формирование n+ - областей (области стока и истока
n-канального транзистора)
Поскольку n+ - области имеют высокую поверхностную концентрацию и малую
глубину, то для их формирования применим одностадийный процесс термической
диффузии.
Исходные данные:
Толщина областей стока и истока n-канального транзистора: xn = 1.7 мкм;
Концентрация примеси истока и стока n-канального транзистора: N0= 6·1020 см-3;
7
Так как области стока и истока n-канального транзистора формируются в p-кармане,
то исходной концентрацией примеси является концентрация, полученная после диффузии
p-кармана. Её можно рассчитать по формуле:
2
 
 
xn
 
Q
 
N ucx 
 exp  

 
  Dp  t p
2

D

t
 
p
p  


  1.7  10  4

 exp   
 2  4.47  10 9
  4.47  10 9
 
Расчёт параметров загонки
7.1  1012




2

  11.91  1015 см 3 .


Вычислим значение функции ошибок:
 x p  N ucx 11.911015

erfc(V )  erfc

 19.85 10 6 .
20
 2 D t  N0
6 10
з з 

Из таблицы значений функции erfc(V) [1], определим V = 3,2.
Вычислим произведение коэффициента диффузии на время диффузии:
2
 x   1.7  10  4 
  7.06  10 10 см 2 .
D  t   n   
 2  V   2  3,2 
2
Задавшись температурой легирования t° = (1000…1200)°C = 1200°С, по графику
D = f(t°, N○з , Nисх ) [1], определяем D = 2·10-12см2/с.
Вычислим время диффузии:
t
D  t 7.06  10 10

 538.5с  8,98 мин.
D
2  10 12
3. Расчет удельного поверхностного сопротивления.
Рассчитаем удельное поверхностное сопротивление различных областей: p-кармана,
n+ и p+ - областей.
Используя методику расчета из лекций, приведем формулу для расчета:
R сл 

Xп
, где:
Rсл – удельное поверхностное сопротивление, Ом;
ρ – удельное объемное сопротивление кремния, Ом·см;
Xп – глубина p-n перехода (в данном случае – толщина слоя), см.
Определить ρ можно по формуле (5):

1
q    N ср.эф.
, где:
q – заряд электрона, Кл;
8
μ – подвижность носителей, см2/В·с;
Nср.эф. – средняя эффективная концентрация примеси в слое, см-3.
В свою очередь, Nср.эф. определяется по формуле (6):
N ср.эф. 
Qп
Xп
, где:
Qп – эффективная доза легирования (за вычетом примеси, находящейся «ниже» p-n –
перехода), см-2;
Xп – глубина p-n - перехода, см.
Учитывая, сильную крутизну зависимости концентрации примеси от глубины, для
оценочных расчетов можно принять Qп=Q. Тогда, опуская промежуточные расчеты,
приведем окончательный результат:
p-карман: Rсл = 8540 Ом;
p+ - области: Rсл = 135,4 Ом;
n+ - области: Rсл = 68,6 Ом.
Область защитных областей p+ в два раза превышает площадь транзисторных p+
областей и имеют изогнутую форму, что позволяет увеличить длину дорожке, по которой
будут проходить электроны. Следовательно сопротивление защитных p+ областей: Rзащ
=310,8 Ом.
4. Расчет градиентов концентрации примесей на донной и боковой части
переходов.
По формуле (7) [1] градиент концентрации примеси на донной части перехода при
двухстадийном процессе находится следующим образом:
, где:
2

a  Q  X п  exp  X п / 4  D  t  / 2  D  t    D  t

a – градиент концентрации примеси, см-4;
Q – доза легирования, см-2;
Xп – глубина залегания p-n - перехода, см;
D – коэффициент диффузии, см2/с;
t – время диффузии, с.
Градиент диффузии для боковой (радиусной) части перехода составляет для
переходов, полученных термической диффузией, половину градиента концентрации
примеси на донной части.
Опуская алгебраические преобразования, приведем результат.
Для p-кармана:
aдна = -0,428∙1020 см-4;
aбок = -0,214∙1020 см-4.
Для p+ областей:
aдна = -3,24∙1020 см-4;
aбок = -1,62∙1020 см-4.
Для n+ областей:
aдна = -8,26∙1020 см-4;
aбок = -4,13∙1020 см-4.
9
5. Расчет пробивного напряжения на переходах.
По формуле (7) [1] градиент концентрации примеси на донной части перехода
находится следующим образом: 1
(8)
U  12 E 3 / qa 2 , где:

пр
0
max

Uпр – пробивное напряжение для донной части перехода, В;
ε – относительная диэлектрическая проницаемость подложки;
ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10-14 Ф/см;
Emax – максимальная напряженность поля, 3∙105 В/см;
q – заряд электрона, 1,6∙10-19 Кл;
a – градиент эффективной концентрации примеси, см-4.
Опять пропуская алгебраические преобразования (все величины известны), сразу
приведем результат.
Для p-кармана:
Uпр = 221,1 В;
Uпр.бок. = 312,7 В.
Для p+ областей:
Uпр = 80 В;
Uпр.бок. = 113,8 В.
Для n+ областей:
Uпр = 50 В;
Uпр = 71,3 В.
Значения рассчитаны для донной поверхности переходов. Для боковых поверхностей
формула (8) дает завышенный в 3-4 раза результат. Но даже с учетом этой особенности, из
результатов видно, что значения превышают напряжение питания более, чем в три раза.
Это считается достаточным для надежной работы элементов.
6. Расчет порогового напряжения n- и p-канальных транзисторов, а также
паразитных транзисторов.
Пороговое напряжение вычисляют по формуле (31) [1]:
Q
(9)
U    os  2  2q  N  / С , где:
0
мп
C0
F
0 п
0
F
0
U0 – пороговое напряжение срабатывания транзистора, В;
φмп – разность работ выхода электрона из материала затвора и из кремния, В;
Qos – плотность заряда поверхностных состояний, Кл/см2,
для [100] Qos = 1,44∙10-8;
C0 – удельная емкость системы «затвор-канал», Ф,
С0 = ε0εд/dд, а для SiO2 εд=3,9;
φF – модуль потенциала Ферми, В,
при Т=300К φF = 0,026∙ln(N0/1,38∙1010), В;
10
q – заряд электрона, 1,6∙10-19 Кл;
ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85∙10-14 Ф/см;
εп – относительная диэлектрическая проницаемость
подложки, для Si εп = 11,7;
N0 –концентрация примеси на поверхности в области
затвора, см-3.
Опять-таки пропуская алгебраические преобразования (все величины уже известны,
расчет производился в Excel), сразу приведем результат.
Для n-канального транзистора:
U0 = 4,81 В;
Для p-канального транзистора:
U0 = 4,74 В;
Для паразитного p-канального транзистора:
Uпр = 22,1 В.
Так как пороговое напряжение паразитного транзистора Uпр < 2-3 Uпит (3∙9 В), то
можно сделать вывод о необходимости создания каналоограничительных областей.
Проведем такой же расчет для определения пороговых напряжений образования p канала.
Удельная емкость "затвор-канал" равна
(10)
Значения порогового напряжения U0 для р-канала:
Минимальная длина канала из условия смыкания областей истока и стока определяется по
формуле:
(11)
где Uип - напряжение питания;
N - концентрация примеси в подложке на уровне дна истока (стока).
С учетом технологических ограничений:
(12)
где аmin=5 мкм - минимальная ширина проводника;
yб=1.6 xп - боковое разращивание области истока (стока);
xп - глубина залегания p-n-перехода.
11
Отрицательное значение свидетельствует о том, что при минимальной ширине
проводника произойдет смыкание областей стока и истока, поэтому округляя принимаем
Lmin=4 мкм.
Ширину канала определяем из формулы выражающей зависимость удельной крутизны
транзистора от геометрических размеров (z-ширина канала, L-длина канала), подвижности
носителей и удельной емкости "затвор-канал":
(13-17)
После округления принимаем zn =13 мкм и zp =19 мкм
Расчет схемы защиты- миандра(кишка) в Р+ канал
7. Подходы к компоновке и разводке.
При компоновке элементы располагались таким образом, чтобы в дальнейшем
упростить разводку. То есть, выходные элементы располагались ближе к выходу,
входные- ко входу. На кристалле было специально отведено место под расположение
длинных трасс. Одинаковые группы элементов по возможности располагались однотипно,
что значительно облегчило прокладку проводников. Для разводки использовалось два
слоя: поликремний и металлизация.
Контактные площадки расположены по всем четырём сторонам, так как
проектируемый кристалл представляет собой БМК и может использоваться для
производства других ИМС.
Контакты земли и питания расположены в противоположных углах кристалла.
Благодаря этому, шины питания и земли удалось развести друг навстречу другу. Эти
шины выполнены шире сигнальных проводников. Около площадок расположены
резисторы – защита входов.
12
Топологическая схема мультиплексора 16:1 состоит из шести основных блоков:
четыре блока, в которых содержаться транзисторы(транз.3-12,17-26), на которые подаются
информационные сигналы и управляющие сигналы(транз.1,2,13-15), блок последующего
объединения сигналов(транз. 30-34), на который тоже подаются управляющие сигналы. И
блок- умощняющий каскад(усиление сигнала по току). Он состоит из восьми параллельно
подключенных инверторвов(36-43) и инвертора, который сохраняет уровень сигнала 35.
8. Расчет номинального зазора в знаках совмещения.
Величина номинального зазора :
 Н   min   И 
П  Ш
, где
2
 min –Минимальный зазор ,различимый системой глаз–микроскоп .
200 200

 1 мкм ( здесь 200 мкм – минимальное разрешение глаза , Г–кратность
Г
200
увеличения микроскопа ).
 min 
 И  0.5 мкм –инструментальная погрешность .
 П  0.5 мкм –предельная погрешность размера знака на пластине.
 Ш  0.25 мкм –предельная погрешность размера знака на шаблоне.
Таким образом ,  Н   min   И 
П  Ш
 1.875 мкм
2
13
9. Топологические нормы для проекта «Курсовая работа».
№
п/п
1
Величина
(мкм)
Параметр
Минимальный размер p области (p-карман)
26,0
Минимальное расстояние между двумя p-областями (p-карманами)
50,0
Минимальный размер поликремниевой области
2,0
Минимальное расстояние
поликремний»
между
областями
«поликремний-
4,0
Минимальный размер n+ области
5,0
Минимальный размер p+ области
5,0
Минимальное расстояние между n+ и p+ областью
5,0
Минимальный размер контактного окна в слое тонкого окисла
4,0 x 5,0
Минимальный размер контактного окна к n+ областям
4,0 x 5,0
Минимальный размер контактного окна к p+ областям
4,0 x 5,0
Минимальный размер контактного окна в области поликремния
6,0 x 6,0
Минимальное расстояние между контактным окном и границей
области «поликремний»
2,0
Минимальное расстояние между контактным окном и границей
области «металл»
1,0
Минимальный размер области «металл» на коротком участке
5,0
Минимальный размер области «металл» на длинном участке
6,0
Минимальное расстояние между областями «металл-металл»
4,0
Минимальное перекрытие контактного окна слоем «металл»
1,0
Минимальный размер контактного окна в области пассивации
125,0 x 125,0
Минимальное перекрытие области «металл» слоем пассивации
5,0
14
Список использованных источников
1. Парфенов О.Д. Расчет и конструирование интегральных резисторов: Методические
указания по курсовому проектированию по курсу «Микроминиатюризация
электронно-вычислительных средств». – М.: Изд-во МГТУ, 1994. – 28 с., ил.
2. Парфенов О.Д. Технология микросхем. Учеб. Пособие для специальностей
«Электронные вычислительные машины» и «Конструирование и производство
электронно-вычислительной аппаратуры» вузов. М., «Высш. школа», 1977.
3. Парфенов О.Д. Расчет и конструирование интегральных транзисторов: Методические
указания к курсовому проектированию по курсу «Микроминиатюризация электронновычислительных средств». – М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 1997. – 20 с., ил.
15
Приложение 1. Структура p-канального и n-канального КМДП транзисторов
16
Приложение 2. Временная диаграмма работы мультиплексора 16:1
17
18