2.8.11. Интегральные резисторы

Полупроводниковые интегральные резисторы - это резисторы, изготовленные на основе полупроводников методами полупроводниковой технологии. Различают объемные и диффузионные полупроводниковые резисторы. Объемные резисторы получают путем создания омических (невыпрямляюших) контактов металла с полупроводником. При идеальных контактах удельное сопротивление такого резистора определяется объемными свойствами полупроводника.

Несмотря на простоту конструктивного и технологического исполнения, объемные резисторы не нашли широкого применения из-за большой занимаемой площади и температурной нестабильности.

Диффузионные резисторы формируют на основе диффузионных слоев, глубина которых намного меньше их ширины и длины. Диффузионные резисторы изолированы от остального объема полупроводника p-n-переходом. Они могут быть изготовлены одновременно с другими элементами при формировании структуры полупроводниковых ИМС. Поэтому для реализации диффузионных резисторов в полупроводниковых ИМС используют те же диффузионные слои, которые образуют основные структурные области транзистора: базовую, эмиттерную или коллекторную.

Для диффузионных резисторов (ДР) чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омическими контактами (рис. 2.51, а).

И длина, и ширина полоскового ДР ограничены. Длина а не может превышать размеров кристалла. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20%).

Значение максимального сопротивления можно увеличить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ДР (рис. 2.52, б). Максимальное сопротивление в этом случае не превышает 50-60 кОм.

Температурный коэффициент сопротивления ДР, выполненного на основе базового слоя, доставляет 0,15-0,30 %/°С, в зависимости от значения поверхностного сопротивления , Разброс сопротивлений относительно расчетного номинала составляет (15-20) %. При этом сопротивления резисторов, расположенных на одном кристалле, меняются в одну и ту же сторону. Поэтому отношение сопротивлений сохраняется с гораздо меньшим допуском ( 3 % и менее), а температурный коэффициент для отношения сопротивлений не превышает 0,01 %/°С. Эта особенность ДР играет важную роль и широко используется при разработке ИС.

Рис. 2.51. Диффузионный резистор с полосковой (а)

и с зигзагообразной конфигурацией (б)

Если необходимые номиналы сопротивлений составляют 100 Ом и менее, то использование базового слоя в ДР нецелесообразно, так как ширина резистора должна быть меньше его длины, что конструктивно трудно осуществить. Для получения ДР с малыми номиналами сопротивлений используют низкоомный эмиттерный слой. При значениях =5-15 Ом/, свойственных этому слою, удается получить минимальные сопротивления 3-5 Ом с температурным коэффициентом 0,01-0,02 %/°С.

При необходимости создания в ИМС резисторов с большим сопротивлением используют пинч-резисторы (канальные, сжатые, закрытые резисторы). Они формируются на основе донной слаболегированной области базового слоя с большим сопротивлением и имеют меньшую площадь сечения (рис. 2.52). Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200...300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, = 2...5 кОм/. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части p-слоя, большой ТКС (0,3...0,5%/°С) из-за меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора n⁺- и p-слои закорочены металлизацией (рис. 2.52) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок ВАХ только до напряжений 1...1,5 В, его пробивное напряжение 5...7 В.

Недостатками пинч-резисторов являются: больший разброс номиналов (до 50 %) из-за сильного влияния изменения толщины p-слоя, больший температурный коэффициент сопротивления (0,3-0,5 %/°С) из-за меньшей степени легирования донной части p-слоя, нелинейность вольт-амперной характеристики при напряжениях более 1-1,5 В.

В последнее время все большее распространение получают ионно-легированные резисторы, которые в отличие от ДР получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией примеси /4/.

Структура ионно-легированного резистора такая же, как ДР (рис. 2.52), но глубина имплантированного p-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2-0,3 мкм. Кроме того, ионная имплантация позволяет обеспечить сколь угодно малую концентрацию примеси в слое. Оба фактора способствуют получению высоких удельных сопротивлений слоя - до 10-20 кОм/П. При этом номиналы сопротивлений могут составлять сотни килоом. ТКС меньше, чем у ДР, и лежит в пределах 3-5% /°С, а разброс сопротивлений не превышает (5-10)%.

Рис. 2.52. Пинч-резистор

Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно осуществить омические контакты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базовой диффузии осуществляют узкие диффузионные p-слои, к которым омический контакт осуществляется обычным способом.

Рис. 2.53. Ионно-легированный резистор

В совмещенных микросхемах поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми они имеют следующие преимущества: более высокие значения граничной частоты, меньшие значения паразитных параметров, более высокая точность изготовления, низкий ТКС.

Высокоомные резисторы могут быть получены на основе ППК. Нелигированные пленки поликристаллического кремния могут давать удельное сопротивление 10⁸ Ом/, но номиналы сформированных на их основе резисторов обычно невоспроизводимы. Удельное сопротивление ППК можно уменьшить легированием, однако оно в сильной степени зависит от уровня их легирования и размера зерна поликремния. Таким образом, резисторы из поликремния пригодны только для схем, где допустим высокий разброс сопротивлений.

Температурный коэффициент этих резисторов довольно высок, и в отличие от ионно-легированных резисторов может быть отрицательным. Резисторы на основе ППК позволяют получать высокоомные нагрузки на очень малой площади (по сравнению с резисторами, получаемыми ионной имплантацией). Эти резисторы технологически очень удобны для схем с поликремниевыми электродами транзисторов (рис. 2.46).