MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/09-bipIC-2014.pptx

Bipoláris IC technológia 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC technológia lépései Minden adalékolási lépéshez tartozik egy ablaknyitás az oxidban, ezt nem ábrázoljuk külön. Az ilyen ablaknyitáshoz maszk kell. fémezés mintázat M fémréteg leválasztása kontaktus ablakok M n+ emitter diffúzió M p+ bázis diffúzió M p szigetelés diffúzió M n epi réteg leválasztása n+ emitter p+ bázis n kollektor n+ eltemetett réteg M n+ eltemetett réteg p szubsztrát 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Structure of bipolar IC transistors burried layer collector n type island p-Si substrate base contact emitter base collector contact 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps 1. n+ burried layer doping (for collector regions) 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps n 2. n epi layer growth for the active islands n+ 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps n p 3. p type isolation doping (deep diffusion through the n epi layer) M n+ p 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps p+ n p 4. p+ base diffusion M n+ p 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps n p p+ 5. n+ emitter diffusion (also for better collector contact) M n+ 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps p+ 6. contact window opening n+ p+ n p 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps 6. contact window opening M n+ p+ n p 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps 7. metallization pattern n+ p+ n p 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Major process steps 7. metallization pattern M n+ Masks needed for a bipolar process: burried layer (n+) isolation (deep p through n epi) base (p) emitter (n+) contact windows metallization pattern The process is optimized for creating good NPN transistors 17-10-2014 Microelectronics BSc course, Element set in bipolar IC-s © András Poppe & Vladimír Székely, BME-EET 2008-2014

Lehetséges alkatrészek A technológiát (vertikális) npn tranzisztorra optimalizálják Bizonyos részek elhagyásával, vagy trükkös fémezéssel más alkatrészek is kialakíthatóak különleges npn tranzisztorok ellenállások dióda pnp tranzisztor Többlet maszkkal és többlet technológiai lépéssel: vékonyréteg kapacitás 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC technológiával megvalósítható alkatrészek Ellenállás bázis diffúzióval Emitter diffúzióval megnyomott ellenállás PNP tranzisztorok Vékonyréteg kapacitás Egy OpAmp layoutja 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

A bipoláris integrált áramkörök alapelemei NPN tranzisztor Bázis diffúziós ellenállás Megnyomott ellenállás 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Egy bipoláris IC részlete pásztázó elektronmikroszkóppal leképezve Nagy meander alakú ellenállás 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek a szigetelés-diffúzió 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek npn (vertikális) tranzisztor 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Az npn IC tranzisztor szerkezete 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok Technológia: az npn (vertikális) tranzisztorokra optimálva Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm), EB letörés: 5-6 V, CB letörés 40-50 V, fT=800-900 MHz 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Nagyáramú npn tranzisztor 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok Hatásos emitter él a báziskontaktus oldalán (I=2 A/cm) 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok változatai Helytakarékos megoldások: két tranzisztor közös zsebben, multiemitteres tranzisztor 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállás R – négyzetes ellenállás 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállások Egy szigetben több ellenállás is lehet. A sziget +UCC -re kötendő! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Bázisdiffúziós ellenállás, meander alakban hajtogatva Pontosság Paraziták 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Mi kell ahhoz, hogy két ellenállás (alkatrész) NAGYON egyforma legyen? azonos rajzolat azonos pozíció közel egymáshoz NEM minimális méret azonos hőmérséklet layout termikus szimulációja 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek "megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek "megnyomott" bázisdiffúziós ellenállás értéke néhányszor 100 kW (kb.) emitter diffúzió bázisdiffúzió Enyhén nemlineáris Feszültsége korlátozott 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek "zömök" emitterdiffúziós ellenállás (vezeték keresztezés) értéke kb. 2 W Emitter diffúzió Fémezés 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Laterális pnp tranzisztor 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Laterális pnp tranzisztor Több is lehet egy zsebben! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Laterális "szektor" pnp tranzisztorok Önmagában áramtükör! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Laterális "szektor" pnp tranzisztorok Köralakúak is léteznek! I I I 3I 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Vertikális pnp tranzisztor n+ eltemetett réteg ellenütemű erősítő (B) 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek A "vékonyréteg" kondenzátor dox: 0,1 m (50 V) Cfajl: 3-400pF/mm2 A jósági tényező javítása A parazita kapacitás hatástalanítása 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO2-n+) kondenzátor egy műveleti erősítőben Értéke: kb. 30pF Cfajl: 3-400pF/mm2 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek Vékonyréteg (fém-SiO2-n+) kondenzátor egy műveleti erősítőben Hasonlítsuk össze a kondenzátor és egy tranzisztor méretét! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Bipoláris IC alkatrészek A pn átmenet mint kondenzátor A tértöltési kapacitás kihasználható, de feszültségfüggő (nemlineáris) nem kaphat nyitó feszültséget ! EB: 1000pF/mm2 (5 V-ig ! ) CB: 150pF/mm2 (~50 V-ig ) 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Műveleti erősítő layout, alkatrész elrendezés Szimmetria, hogy a termikus hatások a lehető legegyformábbak legyenek T1, T2: NPN, bemeneti differenciálerősítő T3, T4: PNP, laterális T5, T6, T7: NPN T10, T11, T13: PNP laterális tranzisztorok D1, D2: diódák T16-17: NPN darlington T19-21: egy zsebben 3 NPN tranzisztor R1, R6: nagy ellenállások R7: megnyomott ellenállás R8, R9: kis ellenállások T22: PNP vertikális T23: NPN vertikális (nagyáramúak) 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Kimeneti tranzisztorok Az ideális elrendezés Teljesítmény végfok tranzisztorok távol a differenciális pár alkotta bemenettől Szimmetrikus elrendezése - common centroid: x és y irányú technológiai szórásra is érzéketlen azonos izotermák Bemeneti diff. erősítő (common centroid) Kimeneti tranzisztorok 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Termikus hatások analóg IC-knél: bipoláris OpAmp A termikus impedancia fogalma Termikus visszacsatolás egy OpAmp-nál A layout hatása a termikus visszacsatolásra 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

A termikus impedancia fogalma A kapu impedancia T1 hőmérséklet növekmény A transzfer impedancia Zth () komplex értékű 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Termikus visszacsatolás – opamp-ban Stacionárius állapot, VOUT > 0   -2 mV/oC 2014-10-18 2013-10-25 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Termikus visszacsatolás – opamp-ban Stacionárius üzem Hatás a nyílt hurkú transzfer karakterisztikán 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Termikus visszacsatolás – opamp-ban A vizsgálat módszere: Mind méréseket, mind szimulációkat végeztünk. Egy kereskedelmi forgalomban lévő közismert típust vizsgáltunk, ez a A741 müveleti erősítő. Mind a stacionárius, mind a dinamikus viselkedést mértük és szimuláltuk. Több, azonos típusú, de különböző gyártótól származó egyedet vizsgáltunk. A különböző dizájnok ugyanazon áramkört realizálták, de az alkatrészek elrendezése eltérő volt. Az alkatrész elrendezést, az IC-k layout-ját a felbontott tokok mikroszkópi képe alapján derítettük fel. 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

A modellezés részletei A vizsgált áramkör a A741 müveleti erősítő A fizikai réteg-szerkezet Az erősítő kapcsolása A sárgával jelölt tranzisztorokat elektro-termikus modellel írtuk le 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

A layout-ok "visszafejtése" Layout "A" 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

A layout-ok "visszafejtése" Layout "B" 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció) Layout "A" 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Nyílthurkú transzfer karakterisztika (mérés és szimuláció) Layout "B" 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Vizsgálatok a frekvencia tartományban Termikus hatások a kimeneti impedanciában 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Vizsgálatok a frekvencia tartományban Layout "A", a felső tranzisztor működik, G=104 Ez a hatás a terheletlen opamp-nál is fellép! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014

Ezek az IC-k csupán az alkatrészek elhelyezésében térnek el! Vizsgálatok a frekvencia tartományban "A" "B" Ezek az IC-k csupán az alkatrészek elhelyezésében térnek el! 2014-10-18 Mikroelektronika - A bipoláris IC technológia és lehetséges elemkészlet © Poppe András & Székely Vladimír, BME-EET 2008-2014