Материал: Методические указания к лабораторным работам № 1-4 «Проектирование топологии ИМС» по дисциплинам «Микро- и нанотехнологии производства электронных средств». Бадаев А.С., Борисов В.И

4.2. Задание №2

Осуществить проектирование межблочных и межуровневых блоков ИМС в САПР Cadence Virtuoso.

Необходимо соединить 4 КМОП транзистора n-типа по схеме на рис. 13, используя только пятый и шестой слой метала.

Рис. 13. Схема соединения транзисторов

Для добавления транзисторов используется функция вставки Instance, для выбора необходимо открыть меню Create далее выбираем Instance. Добавим 4 транзистора nmos1v в рабочую область из библиотеки gpdk090 (рис. 15). Для перехода в библиотеку в меню Instance необходимо нажать на кнопку «Browse» (рис. 14).

Рис. 14. Меню функции Instance

Соединим транзисторы согласно схеме с использованием функции Patch. По заданию необходимо использовать пятый и шестой слой метала. Для этого выбираем в LSW 5 слой метала (met5). Соединяем стоки и истоки транзисторов (рис. 14).

Рис. 15. Вид рабочей области

Рис. 16. Соединение стоков и истоков МОП транзисторов

Чтобы подключиться к затвору, нужно использовать межслойный контакт VIA (M1_POv) (рис. 17).

Так как этот контакт M1_POv связывает только слой поликремния и первый слой металла, нам необходимо с первого слоя метала перейти на шестой. Для это добавим VIA: M2_M1, M3_M2, M4_M3, M5_M4, M6_M5 (рис. 18).

Рис. 17. Контакт VIA к затвору МОП-транзистора

Рис. 18. Контакт с шестого слоя метала к поликремнию

Далее соединяем затворы с использованием функции Patch (рис. 19).

Рис. 19. Схема соединения

Варианты лабораторного задания представлены в таблице

5. Указания по оформлению отчета

Отчет оформляется в виде пояснительной записки на листах формата А4 (210 × 297 мм). Необходимо дома подготовить заготовку отчета по всей работе. Заготовка отчета должна содержать номер, цель и содержание работы, все пункты домашних заданий и результаты их выполнения все пункты лабораторных заданий и свободное место для их выполнения. Дополнительно в отчете необходимо сделать выводы по результатам проделанной работы. Рисунки и графики выполнять на отдельных листах А4, на которых, если позволяет место, может быть размещено по несколько рисунков. Рисунки вкладывать в отчет после первой ссылки по тексту. Титульный лист выполняется по ГОСт 7.4-78 в виде обложки, в которую вкладывают отчет.

6. Контрольные вопросы к лабораторным заданиям

1. Какими возможности обладает САПР Cadence Virtuoso?

2. Для чего необходимо окно Layer Selection Window?

3. Сколько слоев металлизации в библиотеке gpdk090?

4. Для каких целей используют функцию VIA?

5. Что нужно сделать, что бы обеспечить связь первого и пятого слоев метала?

Библиографический список

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие / И.П. Степаненко. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001г. – 487с.

2. Ефимов И.Е. Основы микроэлектроники: учебник / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь. 3-е изд. стер. – СПб.: «Лань», 2008. – 384с.

3. Коледов Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров и микросборок: учеб. пособие / Л.А. Коледов. 3-е изд. стер. – СПб.: «Лань», 2009. – 400с.

4. Рубаи. Цифровые Интегральные схемы: методология проектирования./ Рубаи, Чандракасан, Николич. 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2007. – 912 с.

Лабораторная работа № 2

проектирование интегрального резистора для моп-структуры

1. Общие указания

1.1. Цель работы

Изучение конструктивно-технологических вариантов полупроводниковых интегральных резисторов. Проектирование интегрального резистора с использованием САПР.

1.2. Содержание работы

Основным содержанием работы является: изучение конструкции, технологии получения, параметров объемных, диффузионных, ионнолегированных, пинч-резисторов и резисторов на основе пленок поликристаллического кремния. Проектирование интегрального резистора в среде Cadence Virtuoso.

Обучение осуществляется в процессе выполнения домашних и лабораторных заданий. Контроль усвоения полученных студентами знаний и навыков производиться при собеседовании путем оценки ответов на контрольные вопросы, а также при выполнении лабораторной работы.

Время выполнения домашних заданий 3 ч. Общее время на выполнение лабораторных заданий, включая собеседование и отчет по лабораторной работе 4ч.

1.3. Указания по технике безопасности

В процессе работы необходимо соблюдать общие правила техники безопасности при работе с электроустановками напряжением до 1000 В.

2. Домашние задания и методические указания по их выполнению

2.1. Задание №1

Изучить конструктивно-технологические варианты и основные характеристики диффузионных и пинч-резисторов. В заготовку отчета занести конструкцию и топологию этих резисторов.

Методические указания по выполнению первого задания.

Для выполнения задания необходимо проработать материал /1, с. 258-261, 2, с. 116-122/.

Полупроводниковые интегральные резисторы – это резисторы, изготовленные на основе полупроводников методами полупроводниковой технологии. Различают объемные и диффузионные полупроводниковые резисторы. Объемные резисторы получают путем создания омических (невыпрямляющих) контактов металла с полупроводником. При идеальных контактах удельное сопротивление ρ_v такого резистора определяется объемными свойствами полупроводника.

Несмотря на простоту конструктивного и технологического исполнения, объемные резисторы не нашли широкого применения из-за большой занимаемой площади и температурной нестабильности.

Диффузионные резисторы формируют на основе диффузионных слоев, глубина которых намного меньше их ширины и длины. Диффузионные резисторы изолированы от остального объема полупроводника p-n-переходом. Они могут быть изготовлены одновременно с другими элементами при формировании структуры полупроводниковых ИМС. Поэтому для реализации диффузионных резисторов в полупроводниковых ИМС используют те же диффузионные слои, которые образуют основные структурные области транзистора: базовую, эмиттерную и коллекторную.

Для диффузионных резисторов (ДР) чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омическими контактами (рис. 1а)

Рис. 1. Диффузионный резистор с полосковой (а) и с зигзагообразной конфигурацией (б)

И длина, и ширина полоскового ДР ограничены. Длина а не может превышать размеров кристалла. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20%).

Значение максимального сопротивления можно увеличить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ДР (рис.1 б). Максимальное сопротивление в этом случае не превышает 50-60 кОм.

Температурный коэффициент сопротивления ДР, выпол­ненного на основе базового слоя, составляет 0,15-0,30 %/°С, в зависимости от значения поверхностного сопротивления R_S. Разброс сопротивления относите­льно расчетного номинала составляет ±(15-20) %. При этом сопротивления резисторов, расположенных на одном кристал­ле, меняются в одну и ту же сторону. Поэтому отношение со­противлений сохраняется с гораздо меньшим допуском (±3% и менее), а температурный коэффициент для отношения сопротивлений не превышает ±0,01 %/°С. Эта особенность ДР играет важную роль и широко используется при разработке ИС.

Если необходимые номиналы сопротивлений составляют 100 Ом и менее, то использование базового слоя в ДР нецелесообразно, так как ширина резистора должна быть меньше его длины, что конструктивно трудно осуществить. Для получения ДР с малыми номиналами сопротивлений испо­льзуют низкоомный эмиттерный слой. При значениях R_s - 5-15 Ом/□, свойственных этому слою, удается получить минимальные сопротивления 3-5 Ом с температур­ным коэффициентом 0,01-0,02 %/°С.

При необходимости создания в ИМС резисторов с большим сопротивлением используются пинч-резисторы (канальные, сжатые, закрытые резисторы). Они формируются на основе донной слаболегированной области базового слоя с большим сопротивлением и имеют меньшую площадь сечения (рис. 2). Максимальное сопротивление таких резисторов со­ставляет 200...300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, R_s = 2...5кОм/□. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р-слоя, большой ТКС (0,3...0,5%/°С) из-за меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора n⁺- и р-слои закорочены металлизацией (рис.2) и соединены с выводом ре­зистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок ВАХ только до напряжений 1...1.5 В, его пробивное напряжение 5...7 В.

Рис. 2. Пинч резистор

Недостатками пинч-резисторов являются: больший разброс номиналов (до 50 %) из-за сильного влияния изменения толщи­ны р-слоя, больший температурный коэффициент сопротивле­ния (0,3-0,5 %/°С) из-за меньшей степени легирования донной части р-слоя, нелинейность вольт-амперной характеристики при напряжении более 1-1,5 В.