Конструирование и расчет пассивных элементов полупроводниковых микросхем (110

Наибольший практический интерес представляет вычисление барьерной емкости реальных р-п-переходов, полученных методами диффузии. При диффузии из ограниченного источника плотность объемного заряда

(x) q [NS exp( x2 / 4Dt) NN ] ,

апри диффузии из неограниченного источника

где NS – поверхностная концентрация примесных атомов, NN – концентрация примесных атомов в исходной подложке или эпитаксиальном слое.

Для этих случаев аналитическое решение отсутствует, так как после подстановки соотношений для (х) в систему для двойного электрического слоя и вычисление соответствующих интегралов получаются сложные трансцендентные уравнения относительно неизвестных хN и xP. Эти уравнения можно решить только численными методами с помощью ЭВМ. В некоторых учебниках приведены результаты вычислений для двух законов распределения концентраций примесных атомов и представлены в виде номограмм [3, рис. 2.38, 2.39]. Номограммы позволяют определить ширину области объемного заряда и барьерную емкость р-п-переходов для кремния и германия. Максимальная ошибка в определении ширины области объемного заряда при этом не превышает 5 %.

В общем случае зависимость барьерной емкости от напряжения для диффузионных р-п-переходов можно представить соотношением

С0 ~ K · (l/Uполн)m,

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от закона распределения концентрации примесных атомов в окрестности р-п-перехода. Распределения концентраций примесных атомов, подчиняющиеся закону дополнительного интеграла ошибок или закону Гаусса, описываются промежуточными значениями показателя степени m, заключенного в узкой области (1/2 ≥ m ≥ 1/3). В таблице 2 приведены значения удельной барьерной емкости для различных р-п-переходов интегральной транзисторной структуры со скрытым слоем и без него. Структура сформирована на подложке р-типа (ρ = 5 Ом см) с Гауссовым распределением примеси в базе (ширина 0,7 мкм) и распределением примеси по функции ошибок в эмиттере.

21

Таблица 2

Значения удельной барьерной емкости для р-п-переходов интегральной транзисторной структуры

На рис. 9 изображена структура, топология и эквивалентная схема наиболее широко применяемого диффузионного конденсатора, выполненного на переходе база–коллектор.

Cкб = 0

Cкб = 0

Рис. 9. Структура (а), топология (б), эквивалентная схема (в) и зависимость отношения С1/С2 от напряжения обратного смещения подложки (г) для диффузионного конденсатора на переходе база–коллектор

Удельная емкость такого конденсатора при отсутствии напряжения на нем составляет 300 пФ/мм2. Рабочее напряжение Up = (20 ÷ 30) В.

На эквивалентной схеме показаны:

С1 – полезная емкость, образованная барьерной емкостью Скб; С2 – паразитная емкость изолирующего р-п-перехода Скп;

VD1, VD2 – диоды, образующие полезную и паразитную емкости; R – последовательное сопротивление.

Из эквивалентной схемы видно, что конденсаторы С1 и С2 образуют емкостный делитель. Коэффициент передачи напряжения в этом случае при внешнем напряжении UBH = 0 равен чуть больше 0,5 со скрытым n+-слоем и ~ 0,7 – без n+-слоя. Для получения максимального коэффициента передачи

22

сигнала от вывода 1 к выводу 2 необходимо стремиться к максимально возможному значению отношения С1/С2. Для этого на переход коллекторподложка подают запирающее напряжение (рис. 9г).

Самую большую удельную емкость имеет р-п переход эмиттер-база, однако низкое пробивное напряжение (~7 В) ограничивает возможности его практического использования. На рис. 10 показана структура и эквивалентная схема интегрального конденсатора, сформированного на переходе эмиттер–база. На эквивалентной схеме С1 – полезная емкость Сэб; С2 и СЗ – паразитные емкости Скб и Скп соответственно; R – сопротивление потерь, определяемое в основном сопротивлением базового слоя; VD – диод п+-р-перехода; VT – паразитный р-п-р транзистор.

Рис. 10. Структура (а) и эквивалентная схема (б) диффузионного конденсатора, выполненного на переходе Э-Б

Конденсатор на основе перехода коллектор–подложка имеет ограниченное применение, так как его нижний вывод является общим для остальной части схемы.

Важным параметром, характеризующим свойства интегральных конденсаторов, является добротность

Q = l/2πfCR ,

где f – рабочая частота; С – емкость, R – последовательное сопротивление. С увеличением R добротность уменьшается, поэтому понятна необходимость изготовления скрытого n+-слоя при формировании интегрального конденсатора на основе перехода база–коллектор.

Температурная нестабильность емкости диффузионного конденсатора

в основном определяется нестабильностями n и К. Для резкого р-п-пе- рехода температурный коэффициент емкости

23

где n (1,5 2) 10 4 1/градус – температурный коэффициент диэлектрической проницаемости полупроводника; K ~ (30 40) 10 4 1/градус –

температурный коэффициент контактной разности потенциалов. Для перехода с линейным распределением концентрации примесных атомов

Температурный коэффициент емкости диффузионных конденсаторов зна-

чительновыше, чемуМДПиМДМконденсаторовисоставляет~ 1 10–3 1/град. При расчете емкости диффузионных конденсаторов необходимо учитывать, что она складывается из емкости донной и боковых частей р-п-перехода.

С = Сдоп. + Сбок. = С0(А В) + Соб.(А + В) хj,

где С0 и Соб – удельные емкости донной и боковых частей р-п-перехода соответственно; А, В и хj – геометрические размеры р-п-перехода.

В большинстве случаев значением Сбок можно пренебречь. Тогда

C = C0S = C0АВ.

2.2. МДМ конденсаторы

На основании изложенного выше можно заключить, что диффузионным конденсаторам присущ ряд существенных недостатков, основными из которых являются:

–малая удельная емкость;

–униполярность;

–зависимость емкости от напряжения;

–низкая добротность;

–значительная температурная нестабильность.

Недостатки, связанные с применением диффузионных конденсаторов, в значительной степени можно устранить, если использовать МДП конденсаторы. Структураиэквивалентнаясхематакогоконденсатораприведенанарис. 11.

Эквивалентная схема содержит полезную емкость С1, последовательно соединенную с поверхностной емкостью полупроводника CS сопротивлением R, которое включает в себя сопротивление п+-слоя и контактов. Последовательное сопротивление R в таких конденсаторах составляет не более 5 ÷ 10 Ом, что значительно меньше, чем в диффузионных. Паразитные элементы VD и С2 вносятся изолирующим р-п-переходом коллектор–подложка.

24

При изготовлении МДП конденсатора в качестве элемента полупроводниковой ИМС в эпитаксиальную n-область (коллекторный слой) проводится эмиттерная диффузия. В результате формируется область с электропроводностью п+ -типа, имеющая очень низкое удельное сопротивление. Емкость МДП конденсатора становится практически независимой от приложенного напряжения. Кроме того, этот прием уменьшает последовательное сопротивление R и, следовательно, увеличивает добротность конденсатора. Поэтому значения Q = 1000 на f = 1 МГц для МДП конденсаторов не являются пределом.

Основные параметры интегральных конденсаторов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметры интегральных конденсаторов

Таким образом, МДП конденсатор обладает рядом преимуществ по сравнению с диффузионным. Однако его использование в биполярных ИМС требует выполнения дополнительных операций. К их числу относится операция фотолитографии, необходимая для вскрытия окна в толстом маскирующем слое оксида кремния, и дополнительная операция окисления, в ходе которой выращивается тонкий (50–100 нм) оксидный слой диэлектрика МОП конденсатора, илинанесенияSi3N4 вМДПконденсаторенаосновенитридакремния.

2.3. Расчет диффузионных конденсаторов

Исходными данными расчета являются:

−номинальное значение емкости CH , пФ;

−допуск на номинал χС, %;

−рабочее напряжение U p , В;

− погрешности изготовления и старения χСo , χСs , χСт, χСcm , %;

−конструктивно-технологические ограничения;

−tgδ или Q ;

−диапазон рабочих температур;

−предельно допустимая плотность тока jK , А/мкм2;

− рабочая частота fp , Гц и др.

26

Порядок расчета

1. Определяется напряжение пробоя Unp. Реальный планарный р-п-пе- реход обладает пониженным Uпр по сравнению с идеальным ступенчатым р-п-переходом с такой же концентрацией примеси в высокоомной области. Это связано с кривизной периферийной части р-п-перехода, влиянием по-

верхностных зарядов, дислокаций и т.д. Поэтому принимают Unp = Up, где – параметр запаса. Обычно выбирают = 1,2 – 1,5.

2.Поскольку диффузионные конденсаторы выполняются на переходах, предназначенных для формирования структуры интегральных транзисторов,

то, с учетом Сн и Unp, выбирается тип р-п-перехода. Концентрация примесных атомов слоев р-п-перехода принимается такой же, как и слоев транзистора. Для учебных расчетов Nа и Nd выбирается из табличных данных.

3.Определяют удельную емкость конденсатора. Ее величина приближенно рассчитывается по формулам для ступенчатого и линейного перехода, а более точно – по номограмме [3]. Для курсового задания при расчете диффузионных конденсаторов допускается использование табличных значений С0 (табл. 3).

4.По заданным значениям Сн и найденной С0 находят площадь р-п-пе- рехода.

5.Определяют геометрические размеры. Оптимальной с точки зрения

минимизации площади является квадратная форма. В этом случае А = В = S .

Если для топологии ИМС требуется прямоугольная форма, то один из размеров выбирают, исходя из конструктивных соображений.

6. Определяют допустимую погрешность воспроизведения геометрических размеров при фотолитографии

С = Со + S + Ст + Сcm,

отсюда Сдоп С – Со – Ст – Сcm.

S = S/S = A/A + B/B.

Если А = В и А = В, то

Если А Адоп, то заданный допуск на номинал выполняется. Если

А > Адоп, то необходимо снизить погрешности изготовления конденсатора. 7. В предположении, что ток смещения JС через диффузионный конденсатор определяется рабочим напряжением Up и емкостным сопротивлением ZС = 1/ωС при известной допустимой плотности тока jк, рассчитывают

минимальную площадь окна для металлических контактов.

JC = Up/ZC = UpC ; Sокна min = JC/jK = UpC /jK.

27

8. С учетом конструктивно-технологических ограничений разрабатывают топологию рассчитанного конденсатора. Следует учитывать, что минимальные расстояния между топологическими элементами в диффузионных конденсаторах такие же, как и в интегральных транзисторах.

Разработка топологии заканчивается чертежом в масштабе, принятом для чертежа ИМС, в состав которой входит этот конденсатор.

2.4. Пример расчета диффузионного конденсатора

Разработать топологию диффузионного конденсатора по следующим

исходным данным: СН = 200 пФ; С = 15 %, Up = 3 В, Со = 5 %, Сcm = 1 %,А = В = 5 мкм, Т = (–35 +60) оС; Na = 5 1017 см–3 (баз. обл.), Nd = 1 1020 см–3

(эм. обл.), jK = 5 10–6 А/мкм2, f = 10 МГц. Чертеж в масштабе 200 : 1 начертить на миллиметровке. Шаг координатной сетки – 0,5 мм.

1. С учетом определяем Unp. Принимаем = 1,5

Uпр = Up = 1,5 3 = 4,5 В.

2.ПонайденномуUnp изначениюСн выбираемр-п-переходэмиттер–база.

3.Определяем удельную емкость С0.

4. Активная площадь конденсатора

S = Сн/С0 = 200/1063 = 0,188 мм2.

Если активная область конденсатора квадратная, то А = В = S

0,188 = 0,433 мм = 433 мкм. С учетом шага координатной сетки Атоп =

=Втоп = 435 мкм.

5. Температурная погрешность

Cт C (Tмакс. Ткомн. ) 1 10 3 40 100 % 4 % .

Тогда S доп = 15 – 5 – 4 – 1 = 5 %, а Адоп = Вдоп = 435 0,05/2 = 10,8 мкм.

Т.к. Адоп > А, то технологические возможности позволяют получить заданные точностные параметры.

28

6. Минимальные площади контактных окон к верхней и нижней обкладкам конденсатора

Sокна min = Up C 2 f/jK =

=3 200 10–12 6,28 107/5 10–6 = 7536 мкм2.

Сучетом конструктивно-технологических ограничений и расчетных данных топологические размеры верхнего окна к п+-слою Аb топ = Вb топ =

=(405 × 405) мкм2. Для нижней «обкладки» один из размеров окна контакта к базовому p-слою Ан принимается равным АВ, т.е. Ан = АВ = 435 мкм, а дру-

гой размер В'н = Soкна/A'H = 7536/435 = 31,4 мкм.

С учетом шага координатной сетки

А'Н топ = 435 мкм, В'Н топ = 35 мкм.

7. После этого в масштабе 200 : 1 с учетом конструктивно-технологи- ческих ограничений и шага координатной сетки рисуют топологический чертеж конденсатора.

____ граница диф. слоя _ . _ границаокнавокисле _ _ границаскрытогослоя

29

3.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назвать типы интегральных резисторов, используемых в полупроводниковых микросхемах.

2.Нарисовать поперечный разрез структуры эпитаксиально-планарного

иизопланарного диффузионного резистора, выполненного на основе:

а) базового слоя; б) эмиттерного слоя.

3.Почему диффузионные резисторы чаще всего выполняются на основе базового слоя?

4.Объяснить назначение скрытого n+-слоя в изопланарном диффузионном резисторе, полученном базовой диффузией (рис. 1б).

5.Назвать способы изоляции диффузионных резисторов от других элементов ИМС.

6.Нарисовать поперечный разрез структуры пинч-резистора, выполненного на основе базового слоя.

7.Нарисовать поперечный разрез структуры ионно-легированного резистора.

8.Чем определяется погрешность воспроизведения номинального со-

противления RH в:

а) резисторах на основе эмиттерного слоя; б) резисторах на основе базового слоя; в) пинч-резисторах на основе базового слоя; г) эпитаксиальных резисторах; д) ионно-легированных резисторах?

9.Для чего в ионно-легированных p-резисторах контактные площадки формируются в процессе базовой диффузии?

10.Перечислить особенности расчета диффузионных резисторов по сравнению с пленочными.

11.Назвать особенности расчета диффузионных резисторов с коэффициентом формы К < 1.

12.Нарисовать ВАХ пинч-резистора.

13.Объяснить, как учитывается сопротивление контактов при расчете диффузионных резисторов.

14.Чем определяется сопротивление диффузионного резистора?

15.Объяснить влияние паразитных емкостей на частотные свойства диффузионных резисторов.

16.Описать последовательность основных технологических операций при создании полупроводниковых резистивных микросборок:

а) на эпитаксиальных резисторах; б) на диффузионных резисторах, полученных диффузией бора в крем-

ний п-типа.

17.Какие типы конденсаторов используются в полупроводниковых микросхемах?

30