Конструирование и расчет пассивных элементов полупроводниковых микросхем (110

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ

Учебно-методическое пособие

Составители: Ю. И. Дикарев, Л. Н. Владимирова, В. М. Рубинштейн

Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета

2011

3

ВВЕДЕНИЕ

Вполупроводниковой интегральной микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводниковой подложки, а элементами являются её неотделимые составные части, выполняющие функции каких-либо электрорадиоэлементов. Элемент не может быть выделен как самостоятельное изделие с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации. Поэтому элементы микросхемы называют интегральными. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, конденсатор, резистор и др. Элементы могут быть активными и пассивными. Активными называют элементы, выполняющие функции усиления или иного преобразования сигналов (трансформаторы, диоды и др.), а пассивными – элементы, реализующие линейную передаточную функцию (резисторы, конденсаторы, индуктивности).

Вполупроводниковых микросхемах процесс производства пассивных элементов является более дорогостоящим, чем активных. Площади пассивных элементов полупроводниковых микросхем обычно превышают площади активных элементов. Так как стоимость микросхем определяется числом схем, изготовленных на полупроводниковой пластине, то обычно число пассивных элементов уменьшают, а активных – увеличивают.

Для пассивных элементов полупроводниковых микросхем характерен значительный дрейф и невоспроизводимость номинальных значений. Однако они обладают и некоторыми достоинствами, основным из которых является совместимость с технологическим процессом изготовления активных элементов микросхем. Причем во многих случаях соответствующим выбором элементов и подходов к схемному проектированию удается преодолеть ограничения, накладываемые монолитным исполнением элементов.

4

1. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РЕЗИСТОРЫ

1.1. Основные характеристики интегральных резисторов

В зависимости от структуры и технологии производства интегральные резисторы можно разделить на следующие группы: диффузионные, ионнолегированные и эпитаксиальные. Диффузионные и эпитаксиальные резисторы изготавливаются одновременно с активными элементами в процессе формирования базовой, эмиттерной или коллекторной областей транзистора.

Наибольшее распространение получили диффузионные резисторы, создаваемые в ходе базовой диффузии (рис. 1). В таких резисторах ток течет только по диффузионному p-слою.

Рис. 1. Конструкции эпитаксиально-планарного (а) и изопланарного (б) резисторов на основе базовой диффузии

Это связано с тем, что изолированные участки эпитаксиального n-слоя на кристалле ИМС, предназначенные для формирования в них резисторов, обычно подключаются к положительному полюсу источника питания, а подложка p-типа – к отрицательному или «земле». По этой причине переходы n-слой – p-подложка и p-резистор – n-слой оказываются обратносмещенными.

Разброс сопротивлений резисторов, полученных базовой диффузией, относительно расчетного номинала составляет ±10 % и более. Однако часто в ИМС более важной характеристикой является разброс отношений сопротивлений однотипных резисторов, расположенных на одном кристалле. Поскольку сравниваемые таким образом резисторы находятся на очень близком расстоянии друг от друга и проходят одну и ту же технологическую обработку, то разброс отношений их сопротивлений обычно гораздо меньше разброса абсолютных значений сопротивлений.

Так, для пары диффузионных резисторов одинакового номинала, т.е. с проектным отношением сопротивлений 1 : 1, полученных базовой диффу-

5

зией, разброс этого отношения при b ≥ 25 мкм обычно лежит в пределах ±0,5 %. Когда ширина резистора уменьшается до 7 мкм, разброс отношений сопротивлений увеличивается до 2 %. С увеличением проектного отношения сопротивлений возрастает и разброс отношений. Так, если при отношении номиналов 1 : 1 разброс отношений составляет ±0,5 %, то при отношении номиналов 5 : 1 – 1,5 %.

Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n- переходом. Оно определяется геометрическими размерами диффузионной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением Rs. Значение Rs зависит от технологических режимов диффузии и для базовой области составляет 100–300 Ом/□. На основе базового диффузионного слоя можно получить резисторы с номиналами сопротивления от 100 Ом до 60 кОм.

При необходимости создания в ИМС резисторов с R > 60 кОм используют пинч-резисторы. Структура пинч-резистора, сформированного в базовом диффузионном слое р-типа, показана на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция пинч-резистора

Такой резистор по R превосходит все другие типы диффузионных резисторов, но имеет очень большой разброс сопротивлений из-за совместного влияния погрешностей эмиттерной (п+) и базовой (р+) диффузий.

Резистор представляет собой тонкий канал р-типа, изолированный со всех сторон обратносмещенным p-n-переходом, так как эмиттерный слой n+-типа за пределами резистора соединяется с эпитаксиальным n-слоем. Для изготовления пинч-резистора используется донная слаболегированная часть р-слоя с Rs = 5÷10 кОм/□ и более. Максимальное сопротивление таких резисторов может составлять 200–300 кОм и более даже при простейшей полосковой конфигурации. Однако следует учитывать, что из-за эффекта модуляции канала пинч-резисторы имеют линейный участок ВАХ только до 1–1,5 В.

6

Если номинальное сопротивление диффузионного резистора не превышает 100 Ом, то использование базового слоя для его изготовления нецелесообразно. Для получения резисторов с малыми номиналами используют низкоомный эмиттерный слой (рис. 3).

Рис. 3. Конструкция резистора на основе эмиттерного диффузионного слоя

Для получения высокоомных резисторов ИМС используются и эпитаксиальные коллекторные слои (рис. 4). Из всех областей транзистора коллекторная имеет максимальное Rs(1–10 кОм/□). Эпитаксиальный слой легирован однородно по толщине, поэтому проводимость эпитаксиального резистора, в отличие от диффузионного, постоянна по всему сечению. Однако следует учитывать, что эпитаксиальный резистор формируется самой продолжительной диффузией (разделительной) и разброс номиналов сопротивлений таких резисторов из-за невоспроизводимости боковой и прямой диффузий значителен. Кроме этого, разброс обусловлен и колебаниями толщины и уровня легирования эпитаксиальных слоев.

Поскольку коллекторная область слабо легирована, эпитаксиальные резисторы имеют высокое пробивное напряжение (более 100 В) и большой ТКС.

Еще большее Rs (2÷20 кОм/□) можно получить в эпитаксиальном пинчрезисторе, в котором поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового слоя. Пробивное напряжение таких резисторов определяется Uпроб перехода база-коллектор (40÷50 В).

Рис. 4. Конструкция эпитаксиального резистора

В последнее время все большее распространение получают ионнолегированные резисторы (рис. 5). Такие резисторы обеспечивают сочетание высокого Rs и сравнительно малого разброса сопротивлений. Так как глубина имплантированных слоев составляет 0,1–0,3 мкм, и ионная имплантация позволяет получить малую концентрацию легирующей примеси в слое, то при соответствующем выборе дозы легирования и параметров

7

отжига можно получить Rs = 0.5÷20 кОм/□ в резисторах со структурой рис. 5а и Rs = 0.5÷1 кОм/□ в резисторах со структурой рис. 5б. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в десятки МОм.

Рис. 5. Конструкция ионно-легированных резисторов

Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно получить надежные омические контакты. Поэтому на краях резисторного слоя на этапе базовой или эмиттерной диффузии получают р (рис. 5а) или п+ (рис. 5б) области, к которым омический контакт осуществляется обычным образом.

В таблице 1 приведены основные характеристики интегральных резисторов. Видно, что ТКС интегральных резисторов довольно высок. Этот факт, а также низкая воспроизводимость номинала являются основными недостатками таких резисторов. К их недостаткам также относится и зависимость номинального сопротивления от величины приложенного напряжения, которое может модулировать толщину резистивного слоя вследствие полевого эффекта.

8

1.2. Топология интегральных резисторов

Проектирование резисторов с заданными номиналами сводится к определению конфигурации резистивного слоя. На рис. 6 приведены наиболее часто встречающиеся топологии.

Рис. 6. Топологии диффузионных резисторов

Конструкции, приведенные на рис. 6 (а, б), пригодны для получения низкоомных диффузионных резисторов с номинальными значениями сопротивлений от единиц Ом (эмиттерная диффузия) до нескольких кОм (базовая диффузия). Их сопротивления равны соответственно

R = Rs · (l/b + 2K1);

R = Rs · ((l1 + l2 )/b + 3K1),

где К – поправочный коэффициент, учитывающий сопротивление контактов. Он зависит от конфигурации контактных областей. Значения поправочных коэффициентов приведены на рис. 7. В случае, если L1 = b/2,

К1 = 0,08.

Для резисторов с номинальными значениями сопротивлений RH > 400 Ом, можноиспользоватьтопологию, приведеннуюнарис. 6в. Вэтомслучае

R = R s · ( l /b + 2K2).

Здесь K2 также выбирается из графиков рис. 7. Для случая, когда

L2 = 3L1 = 3b, K2 = 0,65.

Резисторам с номинальным сопротивлением в несколько кОм целесообразно придавать форму меандра (рис. 6г), что позволяет значительно

9

уменьшить площадь, занимаемую ими. Расчетное соотношение для определения сопротивления резистора в этом случае

R = Rs · (l∑/b + m 0,55 + 2 K2),

где l∑ = l1 + l2 + l3 + l4 + l5, m – количество изгибов под углом 90°.

Рис. 7. Значения коэффициентов K1 и K2

Для пинч-резисторов (рис.6д) соотношение для расчета сопротивления имеет вид:

R = Rs' · l2/b + Rs·[(l1 + l3)/b + 2K2],

где Rs' – поверхностное сопротивление базового слоя, находящегося под эмиттерным, Rs – поверхностное сопротивление базового слоя.

1.3. Особенности расчета диффузионных резисторов

Расчет диффузионных резисторов проводится по той же схеме, что и пленочных [1–3]. Для них сохраняются те же коэффициенты, с помощью которых корректируются сопротивления квадратов, находящихся на углах прямоугольных меандров или на скруглениях «змейки». Однако при точном

10