§ 3. Проектирование резисторов интегральной микросхемы.

3-1. Проектирование диффузионных резисторов.

Диффузионные резисторы строятся на конечной проводимости объема полупроводника, ограниченного обедненным слоем. Расп­ределение примесей в объеме резистора в глубь кристалла соответствует распределению примесей в эмиттерной области или ба­зовой области ИБТ, так как диффузионные резисторы изготовляются одновременно с изготовлением ИБТ. Поэтому диффузионные резисторы подразделяются на эмиттерного или базового типа. Размеры для диффузионных резисторов плоскости кристалла определяются размерами диффузионного окна, которые могут быть линейного или зигзагообразного типа. Обычно все диффузионные рези­сторы данного типа (эмиттерного или базового) объединяются в одну изолирующую область. Для резисторов эмиттерного типа общая изолирующая р - область подключается к самому отрица­тельному потенциалу в схеме, для резисторов базового типа изолирующая n - область - к самому положительному потенциалу в cxeмe. Конструкция резисторов эмиттерного и базового типа дана на рис.11.

Расчет величины сопротивления диффузионных резисторов линейного типа (рис.12а,б) с учетом влияния растекания тока вблизи контактов осуществляется по формулам

R_a=R_сл(/b+0,14),

R_б=R_сл(/b+1,8), (24)

ГдеR_сл – сопротивление резистивного слоя, для типовых структур ИБТ (рис.3,4) R_сл.э =2,5 Ом/кВ и R_сл.б =200 Ом/кВ.

Расчет величины сопротивлений резисторов зигзагообразного типа осуществляется по формуле

Где R_Аi и R_из- соответственно, сопротивления линейных участков и сопротивления на изгабе, n и m- соответственно, чсло линейных участков и число изгибов резистора. Проектирование диффузных резисторов осуществляется в следующем порядке: - по­ заданной величине сопротивления выбираются параметры резисторного слоя (R_сл),

- определяется ширина резисторов, исходя из заданной точности изготовления величины сопротивления (b_i(R_i/R_i)), - по выбранным R_сл и b_i определяется длина резисторов (l _i) c учетом формы по формулам (25), - определяэтся паразитные параметры проектированных диффузионных резисторов.

Выбор резистивного слоя диффузионных резисторов осуществляется по данным из табл.2

Таблица 2 .

Тип резистора	Реальн.величина резистора [0м]	Сопр.слоя [Ом/кВ]	Rсл/Rсл [%]	ТКС, 106 [I/0C]
Базовый Эмиттерный	100+30000 5+50	200 2,5	10 30	+2500 +IOO

Ширина резистора определяется по формуле

Где b- точность изготовления линейных размеров дйффузионых резисторов, для типовых технологических процессов b=5,5мкм R_i/R_i и R_сл/R_сл - соответствено, заданная точность сопротивления резиcтора и точность изготовления резистивного слоя, выбираемая из табл.1.

По выбранным R_сл и b _i определяется длина резистора l _i для

линейных резисторов, изображенных на рис.12а, по формуле

для линнейных резисторов, изображенных на рис.12б, по формуле

Резисторы с отношением R_i к R_сл больше 10 (R_i/R_сл >10) рацио­нально проектировать зигзагообразными. Форма этих резисторов (число линейных участков и изгибов) уточняется в процессе компановки элементов в пределах кристалла ИМС. Обедненный слой ограничивает объем резистора в кристалле (рис.11). Такому виду изоляции присущи определенные ограничения. Ток утечки обедненного слоя ограничивает максимально реализуемое сопротивление резистора. Емкостной эффект обедненного слоя огранйчивает максимальную частоту использования данного рези­стора. В общем электрическая модель диффузионного резистора нелинейная и имеет распределенный характер. Ее цепочное приближение (для базового резистора) дано на рис.1За.

Используя приближение к линейной цепи и к цепи с сосредоточенными параметрами (рис.13 б,в), а также учитывая, что по переменному сигналу один из выводов резистора, как правило, заземлен, окончательно получаем простейшую модель резистора, изображенную на рис.13г.

Величина паразитной емкости резистора (C_R) определяется по формуле

где S_R – площадь резистора, находящегося в контакте с обеднен­ным слоем,

W_об(/2) – ширина обедненного слоя на уровне половины длины резистора, определяемая с учетом разности потенциалов между серединным участком резистора и общей изолирующей областью. величина граничной частоты использования резистора с учетом паразитной емкости определяется по формуле

3-2. проектирование пленочных резисторов.

Наличие на поверхности кристалла ППИМС пленки SiO₂ ,которая является совершенным изолятором, позволяет формировать на поверхности кристалла наряду с проводящими пленками резистивные пленки, которые составляют основу пленочных резисторов. Пленочные резисторы изготовляются с лучшими электрическими параметрами по сравнению с диффузионными. Точность изготовления пленочных резисторов выше, диапазон реализуемых сопротивлений шире, температурная стабильность лучше, граничная часто­та использования выше. Однако для их изготовления требуются дополнительные технологические операции для осаждения резистивного слоя и формирования его рисунка.В качестве резистивного слоя могут использоваться различные материалы, некоторые из них даны в табл.З.

Таблица 3

Материал резист. слоя	Сопротивл. слоя, RСА [Ом/кВ]	Допуск RСА /RСА [ % ]	ТКС, 106 [ 1/oC]
Нихром X20H80 Сплав МЛТ-3М Кермет	30+ЗОО. З00+600 500+3000	5 10 20	±100 ±200 ±150

Проектирование пленочных резисторов осуществляется аналогично проектированию диффузионных. Выбор сопротивления слоя резистивной пленки осущесвляется из условия минимальной занимаемой площади всеми резисторами ИМС на поверхности кристалла по формуле

Где R_i и (1/R_i) - соответственно, сумма величин сопротивлений всех резисторов ИМС (R_i ) и сумма величин, обратных сопротивлению этих же резисторов. Величина оптимального слоя резистора опраделяет выбор материала резистивного слоя из табл.3.

При расчете граничной частоты использования проектируемых пленочных резисторов паразитную емкость резистора определяют по формуле

где  и d - соответственно, относительная диэлектрическая постоянная и толщина окисной пленки SiO₂ на поверхности кристалла ИМС (ориентировочно =4 ,d=1 мкм).