Гибридные ис

Данный класс ИС выполняют на изолирующей подложке, например из оксида алюминия (А1₂О₃). На поверхности подложки размещены пассивные элементы – резисторы, проводники, индуктивные катушка, конденсаторы и т. д. Дискретные активные элементы смонтированы на поверхности с помощью разнообразных технологических приемов. Указанная особенность данного класса ИС обусловила его название.

Из приведенного выше рисунка следует, что существует две разновидности гибридных ИС: тонкопленочные и толстопленочные схемы. Пассивные элементы тонкопленочных гибридных ИС выполняют путем металлизации, проводимой как химическим, так и вакуумным способами. Проводники изготовляют из золота, алюминия, никеля, меди и др. Материалом для изготовления резисторов служат сплав Ni – Cr(80/20), нитрид тантала Ta₂N и др. В качестве диэлектрика для конденсаторов используют оксид кремния и пятиоксид тантала. Толщина наносимых слоев колеблется от 0,02 до 10 мкм, что и объясняет происхождение термина «тонкопленочная гибридная ИС». Возможная область применения – производство специализированных ИС, так как эта технология является дорогой, требует особого оборудования и высокой квалификации производственного персонала.

Толщина наносимых слоев толстопленочных гибридных ИС существенно выше. Здесь пассивные элементы выполняют способом шелкографии или с помощью фотолитографической техники. Резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы и другие элементы получают проводя шелкотрафаретную печать соответствующей краской. Затем изделия сушат при 120 С, чтобы удалить органические растворители, придающие краске нужную вязкость, нагревают до температуры около 850 С, осуществляя тем самым вжигание красочного слоя. Толщина слоя жидкой краски примерно 25 мкм, после термообработки она уменьшается примерно до 15 мкм. Описываемые ИС применяют в массовых изделиях, так как они являются многофункциональными и дешевле тонкопленочных, а тем более полупроводниковых ИС.

Важно отметить, что тонкопленочным и толстопленочным ИС присуще полезное свойство – их рабочие параметры можно подгонять, используя лазерный луч, струю абразива и т.д. В отличие от полупроводниковых гибридные ИС могут одновременно усиливать сигнал как по напряжению, так и по мощности; их высокие экономические показатели объясняются малым числом входящих в них элементов. Тем не менее гибридные ИС не играют главенствующей роли среди прочих интегральных схем.

Полупроводниковые резисторы

В

полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах для упрощения технологии в качестве резисторов широко используют базовые слои p-типа с сопротивлением R_сл = 100...300 Ом/. Рассмотрим изопланарную структуру, поперечный разрез которой показан на рис. 1, а.

в)

а)

б) г)

Рис.1

Резистивный слой 1 р-типа толщиной 1...2 мкм размещен в кармане 2 n-типа, изолированном с боковых сторон диоксидом кремния 3. На концах слоя 1 созданы контакты 4. Для снижения площади ширина b резистивной полоски (см. вид сверху на рис. 1, б) выбирается минимальной. Для повышения сопротивления (R = R_сл·a/b) длину a увеличивают. Резисторы с большими сопротивлениями (порядка 10 кОм) выполняют в виде меандра (рис.1, в), а с малыми (десятки Ом) – в виде широких полосок (рис.1, г). Чтобы ток протекал только по слою 1, на р-n переходе между слоями 1 и 2 должно быть обратное напряжение. Для этого область 2 с помощью контакта 5 подключается к плюсу источника питания.

Сопротивление увеличивается с ростом температуры из-за снижения подвижности дырок, причем температурный коэффициент сопротивления (ТКС) равен (0,1...0,3 %)/C. Технологический разброс сопротивлений для разных микросхем ·R/R = ±10 %, в то время как резисторы с одинаковой геометрией на одном кристалле практически идентичны. Разброс отношения сопротивлений резисторов на одном кристалле менее 0,1 %, их ТКС < (0,01 %)/С. Удельная барьерная емкость р-n перехода между слоями 1 и 2 равна (2...4)·10^–4 пФ/мкм². Резистор вместе с распределенной по его длине емкостью образует RC-линию, которую можно использовать в аналоговых микросхемах для получения частотно-избирательных цепей. Однако в большинстве случаев емкость является нежелательной (паразитной), так как ухудшает быстродействие микросхем.

Модель резистора, в которой распределенная емкость заменена сосредоточенной, приведена на рис. 2. Влиянием паразитной емкости С_R можно пренебречь, если частота аналогового сигнала мала по сравнению с граничной частотой резистора f_гр = (2πRC_R)^–1 или длительность фронта (среза) импульсного сигнала велика по сравнению с постоянной времени резистора τ_R = C_R. Для R = 10 кОм, b = 3 мкм, а = 150 мкм получаем C_R = 0,1...0,2 пФ, τ_R = 1...2 нс, f_гр = 80...160 МГц. Значения R и C_R пропорциональны длине резистора а, поэтому f_гр ~ a^–2 ~ R^–2, τ_R ~ R².

С помощью специальной операции ионного легирования, не связанной с формированием базы, можно создать очень тонкий (0,1...0,2 мкм) резистивный слой 1 (рис. 3) с сопротивлением до 20 кОм/. Для получения контактов на его концах формируют более толстые области p⁺-типа. Сопротивление слоя определяется дозой легирования N_л.а: R_сл = (q·μ_p·N_л.а)^–1. Например, для N_л.а = 10¹² см^–2 имеем R_сл = 3 кОм/. Технологический разброс сопротивлений ионно-легированных резисторов около 6 %, ТКС = (0,1 %)/С.

Рис. 2 Рис. 3

Малые сопротивления (единицы Ом) получают на основе эмиттерных слоев n⁺-типа, имеющих R_сл = 2...З Ом/, ТКС = (0,01 %)/С, ·R/R = ±10 %.