Интегральные резисторы

Резисторы широко используются в аналоговых полупроводниковых ИС. В логических схемах и запоминающих устройствах применение резисторов постоянно сокращается, а в некоторых схемотехниках вообще исключено (КМОП, МДП). Это связано с тем, что происходит постоянное уменьшение токов и напряжений в логических ИС, что требует увеличения размеров резисторов, а это приводит к снижению степени интеграции и увеличению размеров самих ИС.

Существуют следующие разновидности интегральных резисторов:

1. Диффузионные резисторы. Они формируются в эмиттерном или базовом диффузионном слое транзисторной структуры в едином технологическом процессе.

а) на основе базовой области; б) на основе эмиттерной области

Сопротивление тела диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p‑n‑переходом. Это сопротивление определяется геометрическими размерами резистивной области и характером распределения примесей по глубине. При создании ИС параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характеристик n-p-n транзистора, поэтому параметры диффузионных резисторов нельзя улучшить за счет технологических режимов, а можно только за счет выбора конфигурации и геометрических размеров.

На практике применяются следующие формы резисторов:

Низкоомные резисторы имеют форму а) с малым коэффициентом формы К_ф=l/b<1. Форма и размеры контактных площадок к таким резисторам выбираются так, чтобы сопротивление приконтактной области было значительно меньше сопротивления основной области. Высокоомные резисторы имеют конфигурацию б)-е) с большим коэффициентом формы.

Контактные области имеют размеры, определяемые возможностями технологий по созданию надежных контактов алюминия с полупроводником. Длина диффузионного резистора ограничена размерами кристалла, а ширина – минимальным размером окна под диффузию и боковой диффузии.

Разброс значений сопротивлений диффузионных резисторов составляет 15-20% и обратно пропорционален ширине резистора. Отклонения номиналов резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет технологической погрешности имеет один знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью. Кроме этого температурный коэффициент сопротивления для отношения сопротивлений значительно меньше, чем температурный коэффициент отдельных резисторов. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке схем полупроводниковых МС.

Низкоомные резисторы (2-100 Ом) выполняются на основе эмиттерной области (т.к. она сильно легирована и ее удельное поверхностное сопротивление мало), а на основе базовой области изготавливаются высокоомные резисторы от 0,1 до 20 кОм.

2. Пинч-резисторы (другие названия: канальные, сжатые, закрытые). Эти резисторы применяются при необходимости создания высокоомных резисторов. Они формируются на основе донной слаболегированной области базы или коллекторного слоя, где высокое удельное сопротивление и малая площадь сечения.

Максимальное сопротивление таких резисторов 200-300 кОм при простейшей полосковой конфигурации. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%). Это связано с трудностью получения точного значения толщины донной части и большим тепловым коэффициентом сопротивления (ТКС) из-за небольшой степени легирования донной части.

У пинч-резисторов n и p слои закорачиваются металлизацией и закоротко соединяются с выводом, находящимся под большим положительным потенциалом. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на p-n-переходе резистора. Возможен вариант, когда закоротка отсутствует, а на перекрывающий слой подается обратное по отношению к резистивному слою смещение, что позволяет регулировать сопротивление в некоторых пределах за счет полевого эффекта.

Эти резисторы имеют линейный участок ВАХ только до напряжения 1-1,5 В. Пинч-резисторы на основе базовой области имеют пробивное напряжение 5-7 В (эмиттерный переход), а на основе коллекторной – 40-50 В.

3. Эпитаксиальные резисторы. Из всех трех областей транзистора коллектор имеет наибольшее ρ на квадрат, т.к. он слабо легирован. В отличие от диффузионного эпитаксиальный слой легирован однородно, поэтому его проводимость постоянна по всему сечению.

Э питаксиальные резисторы формируются разделительной диффузией, поэтому имеют специфические сечения. Т.к. эта диффузия самая продолжительная, то точное регулирование ее размеров затруднительно, особенно велика боковая диффузия, поэтому разброс номиналов таких резисторов значителен. Кроме этого, эти резисторы занимают большую площадь, т.к. велика площадь разделительной диффузии.

Эти резисторы имеют высокое напряжение пробоя (>100 В) и большой ТКС, т.к. коллектор слабо легирован.

4. Ионно легированные резисторы. Структура таких резисторов очень похожа на структуру диффузионных резисторов, но глубина залегания ионно легированных слоев всего 0,1-0,3 мкм.

а). в коллекторном слое; б) в базовом слое

Ионная имплантация позволяет обеспечить малую концентрацию легирующих примесей в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни кОм со сравнительно низким ТКС и допуском ±10%.

Ширина и толщина ионно легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений получается очень маленькой, что усложняет получение качественных контактов. Для устранения этого недостатка в месте контакта используется диффузия p⁺ или n⁺.

5. Тонкопленочные резисторы. В совмещенных ИС поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы, представляющие собой полоску высокоомного материала. Их преимущества: низкий ТКС, высокая точность изготовления, высокая граничная частота (т.к. малы паразитные параметры). Недостатки: необходимость дополнительных технологических операций и дополнительных мер защиты ИС от внешних воздействий.

Характеристики интегральных резисторов даны в таблице.

Тип резистора	Толщи-на, мкм	ρ, О м/	Допуск, %	ТКС *10-3, оС-1	Паразитная распределен-ная емкость, пФ/мм2
Диффузионный резистор на основе базового слоя	2,5-3,5	100-300	± (5-20)	±(0,5-3)	150-350
Диффузионный резистор на основе эмиттерного слоя	1,5-2,5	1-10	±20	±(0,1-0,5)	1000-1500
Пинч-резистор	0,5-1,0	(2-15)10³	±50	±(1,5-3)	1000-1500
Эпитаксиальный резистор	0,7-1,0	(0,5-5)10³	±(15-25)	±(2-4)	80-100
Ионно легированный резистор n-типа	0,1-0,2	(5-10)10²	±50	±(1,5-5)	200-350
Ионно легированный резистор p-типа	0,1-0,2	(5-20)10³	±(10-20)	±(0,5-3)	150-350