15)Диффузионные резисторы

Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с базо­вой или эмиттерной областью транзистора. Структура таких ре­зисторов показана на рис. 2.23. Сопротивление тела диффузионного резистора (ДР) представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п переходом. Оно определяет­ся геометрическими размерами резистивной области и характером распределения примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротив­лением р*. При создании микросхем параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характерис­тик я-р-я-транзисторов, поэтому параметры ДР улучшаются не за счет варьирования технологических режимов, а выбором конфигу-

Рис. 2.23. Структура диффузионных резисторов на основе базовой (а) и эмиттерной (б) областей

рации и геометрических размеров тела резистора (рис. 2.24). Низко­омные резисторы (десятки ом) имеют форму, представленную на рис. 2.24, а и малое отношение l/b. Форма и размеры контактов к ним выбираются такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением в сотни ом и до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 2.24, в, б, в котором длина и ширина приконтактной области равна ширине резистора. Топология, показанная на рис. 2.24, д, г, используется для создания высокоомных резисторов. В ней тело резистора имеет сравнительно малую ширину, контактные области имеют размеры, определяемые возможностями технологии по созданию надежного контакта про­водящих А1 полосок с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы имеют форму меандра (рис. 2.24, е) или изготавливаются в донной части базового слоя (пинч-резисторы, рис. 2.24, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров кристалла (т. е. 1...5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2.5...3 мкм), и боковой диффузией (уход под окисел равен примерно глубине залегания диффузион­ного р-п перехода). Типичные значения сопротивления ДР, кото­рые можно получить при данной величине р₅, лежат в диапазоне . Нижний предел ограничивается сопротивления­ми контактных областей, верхний — допустимой площадью, отводи­мой под резистор.

16) Особенности расчета полупроводниковых резисторов

Исходными данными для расчета геометрических размеров резисторов являются номинальное сопротивление R_i , погрешность γ_Ri , рассеиваемая мощность P_i , максимальная допускаемая температура T_max .

Расчет резисторов привязан к базовой технологии, выбранной для изготовления ИМС (выбран материал, заданы поверхностные концентрации, глубины залегания p–n-переходов и другие параметры), т.е. далее необходим только выбор слоя, в котором будет выполняться данный резистор. При этом расчет резисторов может проводиться индивидуально по мере необходимости на различных этапах последующих расчетов.

Расчет полупроводниковых интегральных диффузионных резисторов привязан к базовой технологии, в рамках которой выполняется основной элемент – транзистор. В этом случае практически получаются заданными материал, поверхностные концентрации, глубина залегания p–n-переходов и прочие параметры.

Исходными данными для расчета геометрических параметров (размеров) резисторов являются:

− номинальная величина сопротивления R и его допуск ∆R;

− поверхностное сопротивление рассматриваемого слоя ρ_S;

− среднее значение мощности P и максимально допустимая удельная мощность рассеяния P₀ (для кремния 10 мВт/мм²).;

− основные технологические и конструктивные ограничения.

Полная относительная погрешность сопротивления диффузионного резистора определяется суммой погрешностей:

∆R/R = ∆K_ф / K_ф + ∆ρ_S / ρ_S + α_R∆T ; (4.1.1)

K_ф = l / b = R / ρ_S , (4.1.2)

где K_ф – коэффициент формы резистора; ∆K_ф / K_ф – относительная погрешность коэффициента формы резистора; ∆ρ_S / ρ_S – относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления легированного слоя (для типовых процессов ∆ρ_S / ρ_S = 0,05…0,1); α_R – температурный коэффициент сопротивления резистора (приведены в табл. 2.4 для резисторов различной конструкции); α_R ∆T – температурная погрешность сопротивления.

Расчет геометрических размеров интегрального полупроводникового резистора начинают с определения ширины. Расчетная ширина b_расч принимается равным или большим наибольшего из величин b_техн , b_точн , b_р:

b_расч ≥ max {b_техн , b_точн , b_р},

где b_техн – минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов; b_точн – минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность геометрических размеров; b_р – минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния.

Величину b_техн определяют по технологическим ограничениям выбранной технологии (для планарно-эпитаксиальной технологии b_техн= 5 мкм). Ширину b_точн можно определить как

b_точн = (∆b + ∆l / k_ф ) k_ф / ∆k_ф , (4.1.3)

где ∆b, ∆l – абсолютные погрешности ширины и длины тела резистора, обусловленные технологическим процессом.

В случае типового технологического процесса относительная погрешность коэффициента формы K_ф/∆ K_ф при ∆b = ∆l = 0,05 мкм определяется

∆K_ф / K_ф = ∆R / R – ∆ρ_S / ρ_S + α_R ∆T . (4.1.4)

Ширина b_р определяется по формуле

(4.1.5)

где Р₀ – максимально допустимая удельная мощность рассеяния, принимаемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах 0,5…4,5 Вт/мм².

Чертеж оригинала фотошаблона вычерчивается в масштабе 100 : 1, 200 : 1 и т.д. и для этого выбирается шаг координатной сетки 0,5 или 1,0 мм (допускается 0,1…0,2 мм). Далее определяют шаг координатной сетки для фотошаблона делением на масштабное число (100, 200 и т.д.).

Определяют промежуточное значение ширины резистора:

b_пром = b_расч – 2 (∆_трав + ∆y), (4.1.6)

где ∆_трав – погрешность, вносимая за счет растравливания окон в маскирующем слое оксида перед диффузией, обычно ∆_трав = 0,2…0,5 мкм;

∆y – погрешность, вносимая за счет ухода диффузионного слоя под маскирующий оксид в боковую сторону (примерно ∆y составляет 60 % глубины базового слоя и 80 % глубины эмиттерного слоя).

Следующий шаг – определение топологической ширины bтоп (ширину на чертеже топологии) и реальную ширину резистора на кристалле после изготовления ИМС. В случае b_пром ≥ b_техн за величину bтоп принимают равное или ближайшее к b_пром большее значение, которое должно быть кратным шагу координатной сетки (принятым ранее для проектирования).

Реальная ширина резистора на кристалле

b = b_топ + 2 (∆_трав + ∆y). (4.1.7)

Если b_пром < b_техн , то за b_топ принимается равное или ближайшее к bтехн большее значение, которое будет кратным шагу координатной сетки. Реальную ширину резистора принимают как показано выше. Расчетная длина резистора определяется по формуле

L_расч = b (R / ρ_S – n₁k₁ – n₂k₂ – 0,55N_изг ), (4.1.8)

где N_изг – количество изгибов резистора на угол π/2; n₁, n₂ – число контактных площадок (у резистора обычно n = 2); k₁, k₂ – поправочные коэффициенты, учитывающие сопротивление контактных областей резистора в характерных точках (в месте изгиба области резистора под прямым углом, у металлического контакта, у металлического контакта в пинч-резисторе создается различная плотность линий тока, что и требует поправки).

На рис. 4.1.1 графически показано изменение k₁, k₂ в зависимости от конфигурации контактной области резистора (соотношения размеров контактного окна L₁ , контактной области L₂ и реальной ширины резистора b с каждой стороны.

Кроме того надо учитывать, что реальная длина резистора l на кристалле будет меньше топологической длины l_топ на чертеже топологии за счет увеличения геометрических размеров контактных областей резистора с обоих концов в результате боковой диффузии. По этой причине необходимо оценивать промежуточное значение длины резистора

l_пром = l_расч + 2 (∆_трав + ∆y). (4.1.9)

За топологическую длину резистора l_топ принимают ближайшее к l_пром значение длины, кратное шагу координатной сетки, принятому ранее для чертежа топологии.

Рис. 4.1.1. Значения коэффициентов k₁ и k₂ для расчета диффузионных резисторов при различных конструкциях контактных областей: а, г – для низкоомных резисторов; б, в – для высокоомных резисторов

Реальная длина резистора на кристалле

l = l_топ – 2 (∆_трав + ∆y). (4.1.10)

Отклонение размеров резистивной области за счет погрешностей ∆_трав и ∆_y необходимо учитывать при определении величин L1 и L2 и при выборе коэффициентов k₁ и k₂ .

При окончательном определении топологических значений bтоп и lтоп рассчитывают сопротивление спроектированного резистора и погрешность, используя реальные значения ширины и длины резистора на кристалле. При необходимости увеличивают ширину или длину резистора до значения, дающего приемлемую погрешность.

В зависимости от топологии резистора сопротивление рассчитывают по несколько отличающимся формулам.