ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

140

–оформить сводки исходных данных с распределением их

втрех наборах:

а) параметров назначения; б) параметров структуры;

в) размерных технологических ограничений;

–оценить рабочие значения ширины изолирующего p-n- перехода и толщины резистивного слоя структуры;

–оценить, проставить на структуре и топологии резистора защитные промежутки между границами областей и минимально допустимые размеры топологических фрагментов;

–назначить минимальный технологический размер контакта к резистору;

–по размерам защитных промежутков и полученным размерам изоляционного слоя определить недостающие размеры контактной области и ширину резистора;

–оценить коэффициент формы контактной области;

–оценить коэффициент формы резистивной полосы (с учетом коэффициента формы контактной области) и длины резистивной полосы;

–определить составляющие производственной погрешности сопротивления резистора и сравнить суммарную производственную погрешность с заданной нормой dR;

–по результатам сравнения принять решение о корректировке размеров контактов и повторе оценки всех остальных размеров конструкции резистора;

–принять решения о введении в конструкцию изгибов, провести оценку их числа и корректировку линейных участков;

–определить габаритную площадь резистора;

–определить значения удельных емкостей изоляции, соответствующие площади ее поверхностей для расчета полной емкости резистора;

–определить полную емкость и граничную частоту рези-

стора.

Соотношения по выполнению расчетных оценок поименованных парметров приведены в п. 2.16.5.

141

2.17 Конденсаторы биполярных ИМС

2.17.1 Общие сведения

Конденсаторы биполярных ИМС преимущественно выполняются на основе р-n-переходов (см. рис. 2.63) и сочетания структур «металл — окисел — полупроводник» (МОП) с p-n-пе- реход (см. рис. 2.64). Основные оценочные параметры конденсаторов (технологический разброс δ%, температурный коэффициент ТКЕ, напряжение пробоя Uпр, добротность Q) приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 — Оценочные значения параметров конденсаторов

Рисунок 2.63

Рисунок 2.64

2.17.2 Конденсаторы на основе р-n-перехода

В качестве рабочего р-n-перехода для исполнения конденсаторов ИМС применяются переходы из структур БПТ: эмиттернобазовый, коллекторно-базовый, коллектор-основание. Учитывая, что в схемных применениях основание имеет соединение с общим электрическим узлом, рабочий р-n-переход коллектороснование применяется исключительно в интегрирующих и бло-

142

кировочных цепях ИМС и в качестве изолирующего для конденсаторов на основе переходов коллектор-база, эмиттер-база.

Распространенный вариант структуры конденсатора на основе коллекторно-базового перехода с изоляцией от несущего основания р-n-переходом — коллектор-основание изображен на рисунке 2.63 Электрическая схема замещения конденсатора изображена на рисунке 2.64. Элементы схемы замещения определяются подобно тому, как это исполнялось для транзисторов и диодов. Так, удельные емкости рабочего и изолирующего переходов определяются для усредненных по режиму применения напряжений на переходах. Площадь обкладок конденсатора и изолирующего перехода определяется с учетом донной и боковой поверхностей.

Конденсаторы на основе p-n-переходов чувствительны к полярности постоянного смещения на рабочем и изолирующем переходах. Поэтому, согласно схеме замещения, коллекторная область (клемма 2 на рисунке 2.64) должна быть подключена к источнику более высокого положительного потенциала, чем базовая область (клемма 1) и подложка П.

Переменная составляющая напряжений между названными клеммами должна быть меньше постоянного смещения. «Паразитная» емкость изолирующего перехода нагружает клемму 2, ухудшая частотные (и переходные) свойства схемных применений рассматриваемого элемента. По рисунку 2.63 видно, что площадь изолирующего перехода превосходит площадь рабочего перехода. Поэтому снизить отношение (Сраб/Сиз)=(Ссb/Ccp) можно только уменьшением удельной емкости слоя изоляции в сравнении с удельной емкостью рабочего перехода. Этого можно достигнуть снижением степени легирования подложки относительно базового слоя, увеличением обратного смещения на изолирующем переходе по отношению к смещению рабочего перехода емкости. Существенного уменьшения отношения Сраб/Сиз (до четырех и более раз) можно достигнуть в структурах с диэлектрической изоляцией коллекторных «карманов». При этом изоляция относительно подложки при соответствующем выборе толщины диэлектрика становится не чувствительной к полярности приложенного напряжения, а удельная емкость изоляции оп-

143

ределяется не свойствами полупроводника, а свойствами диэлектрика изоляции.

2.17.3 Конденсаторы со структурой МОП

Структура и топология МОП-конденсатора показана на рисунке 2.65. Здесь над эмиттерным n+-слоем выращен слой тонкого (0,08–0,12 мкм) окисла. При исполнении металлической разводки на этот слой наносится верхняя алюминиевая обкладка конденсатора. Нижней обклад-

кой служит эмиттерый n+-слой. Удельная емкость МОП-кон- денсатора определяется диэлектрической постоянной диэлектрика SiO2 и обычно составляет около (250–350)пФ/мм2.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов является то, что они не полярны. Однако МОП-конденсатор, как и конденсатор на основе p-n-

перехода, имеет нелинейную вольт-фарадную характеристику С(U). Зависимость емкости от напряжения на конденсаторе, показанная на рисунке. 2.66, обусловлена тем, что емкость МОПконденсатора представляет собой последовательное соединение двух емкостей: емкости диэлектрика и емкости обедненного слоя, который может образоваться в приповерхностной области полупроводника. В конденсаторе, показанном на рисунке 2.65, при нулевом и положительном напряжениях на металлической обкладке приповерхностная область подложки обогащается электронами (обедненный слой

144

отсутствует). Соответственно емкость конденсатора определяется диэлектриком и имеет максимальное значение.

При отрицательных напряжениях поверхностный слой полупроводника обедняется носителями заряда. Толщина этого слоя растет с повышением отрицательного напряжения, и емкость конденсатора соответственно уменьшается. Это приводит к уменьшению результирующей емкости МОП-конденсатора (кривая 1 на рис. 2.66). При достаточно большом отрицательном напряжении вблизи поверхности образуется инверсионный дырочный слой, т.е. проводящий канал. Тогда емкость обедненного слоя оказывается «отключенной» от емкости диэлектрика и результирующая емкость МОП-конденсатора снова приближается к начальному значению (кривая 2).

Для ослабления влияния обедненного слоя необходимо, чтобы емкость этого слоя была большой по сравнению с емкостью диэлектрика. Такое требование удовлетворяется при большой концентрации примесей в полупроводнике. Поэтому в качестве полупроводниковой «обкладки» МОП-конденсатора используется n+-слой. Благодаря малому сопротивлению этого слоя обеспечивается и повышение добротности конденсатора. Паразитная емкость МОП-конденсаторов для схем замещения учитывается как полярная емкость (Сиз) между n-карманом и р-под- ложкой. Коэффициент Cиз/С в данном случае составляет около

(0,1–0,2).

Важной особенностью МОП-конденсаторов является зависимость их емкости от частоты. Такая зависимость обусловлена влиянием быстрых поверхностных состояний на границе полу- проводник—диэлектрик. Перезаряд этих состояний является инерционным процессом и происходит с постоянной времени порядка 0,1 мкс. Поэтому с ростом частоты емкость МОПконденсатора уменьшается и достигает установившегося значения лишь при частотах более нескольких мегагерц.

2.17.4 Параметры конденсаторов БПТ ИМС

Проектными параметрами конденсатора являются:

–рабочие напряжения конденсатора Uр и изоляции Uиз, В;

–номинальная емкость С, Ф;

145

–допустимое относительное отклонение dC;

–допустимоеотносительноеэксплуатационноеотклонениеdCэ;

–допустимые потери (добротность Q) в конденсаторе;

–граничная частота конденсатора Fгр, Гц;

–допустимое отношение Сраб/Сиз.

Следует отметить, что названный перечень параметров далеко не полный. К числу дополнительных могут быть отнесены обратные токи переходов, требования по нелинейности, требования по температурному диапазону и др. Однако расширение спектра требований является достоянием специальных нормативных актов приложений.

Рабочие напряжения конденсатора Uр и изоляции Uиз оп-

ределяются по формулам общего вида для лавинного пробоя, примененным в проектных оценках параметров слоев транзисторов, диодов, резисторов.

Номинальная емкость С определяется по формуле однообкладочных плоских конденсаторов с учетом возможных различий удельных емкостей донной и боковых поверхностей обкладок

Допустимое относительное отклонение dC представляется суммой производственного отклонения dCп и эксплуатационного отклонения dCэ.

Эксплуатационное относительное отклонение dCэ в основном определяется температурными изменениями удельных емкостей. В свою очередь, температурные изменения удельных емко-

в которой

ТКЕi — температурный коэффициент i-ой удельной емкости; ∆T — температурный интервал определения емкости. Температурный коэффициент удельной емкости в диапазоне

температур полной ионизации примесных атомов (–60 ÷ +125) С определяется температурными изменениями диэлектрической

146

проницаемости ε и контактной разности потенциалов φk полупроводника. Учитывая функциональную зависимость удельной емкости от ε и φk для ступенчатого и плавного р-n-переходов,

для плавного перехода. В приведенных формулах температурный коэффициент диэлектрической проницаемости TKε следует принять равным 2 10–4 1/ С. Знак перед членом U/φk в формулах (2.130), (2.131) соответствует прямому смещению перехода.

Для известного температурного диапазона применения ∆T, определив эксплуатационную погрешность dCэ = dСуд, можно определить допустимую относительную производственную по-

По выражению (2.132) определяется факт соответствия требований на проектирование конденсатора без принятия мер компенсации эксплуатационного отклонения. При (dC – dCэ) ≤ 0 допустимая производственная погрешность может назначаться в значительной мере произвольно, так как без компенсации эксплуатационного и производственного отклонений удовлетворить требования к допустимому отклонению dC невозможно. При (dC – dCэ) > 0 допустимое производственное отклонение представляется через составляющие производственных отклонений по следующему выражению

Производственная относительная погрешность площади dS для малых отклонений составляющих (не более 0,1–0,2) определяется суммой относительных погрешностей линейных размеров верхней (меньшего размера) обкладки и ее толщины. Производственная относительная погрешность удельной емкости dCуд.i для малых отклонений составляющих, аналогично площади, определяется суммой относительных погрешностей диэлектрической проницаемости материала и ширины разделительного перехода между обкладками. Значение этого отклонения выбором плоскостных размеров конденсатора не может быть изменено.

147

Поэтому значение погрешности dCуд.i принимается к выбору плоскостных размеров, как технологическое ограничение. Неравенство (2.133) устанавливает ограничение на конструктивное исполнение конденсатора. При выполнении условия

(dC – dCэ) – dCуд.i > (0,01– 0,03) (2.134)

проектируются конденсаторы без последующей подгонки емкости. В противном случае необходимо в конструкции конденсаторов предусматривать возможность подгонки емкости до требуемого значения специальными приемами. Вследствие низкой эффективности исполнения конденсаторов с номинальной емкостью более (1–2) пф в составе ИМС и технологических проблем изменения емкости в процессе производства, подгонка емкости конденсаторов ИМС не предусматривается.

На рисунке 2.67 изображена топологическая конфигурация конденсатора, соответствующая структуре, изображенной на рисунке 2.63. Эта конструкция не предполагает иного способа подгонки, как изменением напряжения смещения на разделительном переходе. Раз-меры L

и B верхней обкладки, при извест-ных толщине базового слоя и удельных емкостях его донной и боковой поверхностей, определяются величиной требуемой емкости конденсатора Ср. В отсутствие других ограничений, задаваясь отношением В/L ≥ 1, из выра-

жения (2.128) не-

сложно определить один из размеров (L или В) и по назначенному отношению В/L определить другой недостающий раз-

148

мер обкладки.

Размеры технологических промежутков d1, d2, d3 определяются аналогично тому, как это было принято в разделах по формированию топологии БПТ, диодов, резисторов. Длина контактного окна Lk в окисле под металлизацию вывода от нижней обкладки (ЭПСК и n+-слой) принимается от минимального технологического размера Lo и более (в зависимости от требуемого по потерям конденсатора контактного сопротивления). Размеры по ширине (направления Вi) базового слоя и контактного n+-слоя принимаются равными.

Так как толщина верхней обкладки и ее погрешность являются параметрами структуры конденсатора, выбором топологических размеров L и В возможно управлять вносимыми ими относительными погрешностями. Можно показать, что при L=B эта составляющая погрешности будет минимальной, что может рассматриваться как один из аргументов рационализации выбора отношения размеров L и В. Другим аргументом рационализации выбора отношения размеров L и В может быть стремление сокращения площади пассивной периферии, обрамляющей активную зону конденсатора. Можно показать, что минимальными эти потери будут при условии исполнения активной зоны квадратной формы, что соответствует равенству

L = B – d3 – Lk – 2 d4 = В – ∆. (2.135)

Подстановкой соотношения (2.135) в формулу (2.128) определяется ширина В. По формуле (2.135) определяется длина L верхней обкладки конденсатора и остальные размеры топологии. В формуле (2.135) размер d4 соответствует расстоянию от границы легированного n+-cлоя до края контактного окна к этому слою в окисле. Вследствие малости параметра ∆ и размытого минимума зависимости погрешности dS от отношения L/B, выбор размеров по соотношению (2.135) незначительно влияет на изменение погрешности, вносимой производственным отклонениемплощади dS.

Возможности рационализации выбора формы обкладок для снижения производственной погрешности емкости конденсатора ограничены, так как при заданной величине емкости площадь

149

конденсатора ограничена и может быть увеличена исключительно снижением удельной емкости.

Потери конденсатора на основе p-n-перехода, как и дискретных радиоэлементов, принято характеризовать сопротивлениями потерь Rk (см. рис. 2.64) и добротностью Qc. Сопротивление Rk в активной зоне образуется суммой сопротивлений металлизации Rkm обкладок и объемным сопротивлением обкладок Rkv. Составляющая сопротивления металлизации Rkm, вследствие сравнительно высокого поверхностного сопротивления обкладок, сводится к переходным сопротивлениям металл-полу- проводник и определяется по формуле

Rkm ≈ [Rob/(L B)] + Ron+ /(Lk B),

где Rob, Ron+ — удельные переходные сопротивления контактов с верхней и нижней полупроводниковыми обкладками. Объемное сопротивление обкладок Rkv определяется для верхней и нижней обкладок с применением упрощенных моделей, рассмотренных в подразделе 2.13.6. Добротность конденсатора Qc определяется на

Для повышения добротности следует при фиксированной площади уменьшать сопротивление обкладок. С этой целью необходимо уменьшать отношение L/B, что повышает производственную погрешность емкости и потери площади кристалла под разделительные межэлементные зазоры.

Граничная частота Fгр применения конденсатора соответствует значению Qc=1 и определяется из выражения (2.136). В ряде случаев, когда требования добротности повышенные, могут применяться более жесткие оценки по допустимым значениям добротности Qc >>1.

Допустимое отношение Сраб/Сиз не всегда может быть удовлетворено. Количественно названное отношение определяется расчетом емкостей по формулам (2.128), (2.128а), и, как уже отмечалось, оно составляет в лучшем случае (5–6). Существенно увеличить это отношение нельзя.