14.3. Интегральные конденсаторы

Требования к интегральным конденсаторам зависят от функций, которые они выполняют в схеме. Блокировочные конденсаторы в цепях питания и опорных напряжений должны иметь максимально возможную величину. Требования к воспроизводимости, идентичности и отсутствию модуляции емкости напряжением обычно не предъявляются.

Для разделительных конденсаторов в радиосхемах очень важно отсутствие модуляции емкости напряжением. При такой модуляции в спектре появляются новые гармонические составляющие, которых не было в исходном сигнале. Большие величины емкости и высокая идентичность обычно не требуются. Наиболее жесткие требования к конденсаторам предъявляются в схемах активных частотных фильтров и схемах на переключаемых конденсаторах. Для фильтров требуются точные значения емкости при отсутствии ее модуляции. Сложности изготовления точных интегральных конденсаторов ограничивают применение в микросхемах активных фильтров. В аналоговых схемах на основе переключаемых конденсаторов резисторы не используются. Конденсаторы обеспечивают деление и сложение зарядов в соответствии с отношением их емкостей. В таких схемах требуются конденсаторы без модуляции емкости напряжением, с высокой идентичностью параметров одинаковых элементов и низким последовательным сопротивлением. Большие величины емкости и точность их номинальных значений обычно не требуются.

Блокировочные конденсаторы в биполярных схемах создаются на основе p–n - переходов транзисторных структур, в КМОП - схемах – на основе затворной емкости полевого транзистора. Большие величины емкости достигаются за счет использования площади кристалла, не занятой активными элементами. Существуют программы для автоматической генерации блокировочных конденсаторов в свободных от транзисторов местах. Форма электродов конденсаторов получается произвольная. Использование таких конденсаторов не требует дополнительных технологических операций. Суммарная емкость всех блокировочных конденсаторов на кристалле микросхемы достигает нескольких десятков нанофарад.

Разделительные конденсаторы в радиосхемах чаще всего создаются на основе системы металлизированных соединений. Наибольшую удельную емкость имеет структура нижнего уровня пересечений проводников (легированный поликремний – нитрид кремния (0,3 мкм) – первый уровень металлизации) – 0,6 фФ/мкм². Если необходимо увеличить удельную емкость, то в структуре конденсатора собираются все чередующиеся слои металлизации и изоляции. Удельная емкость многослойной структуры достигает 1,2 фФ/мкм². Создание таких конденсаторов также не требует дополнительных технологических операций, однако для их размещения необходима дополнительная площадь на кристалле. Суммарная емкость конденсаторов – несколько нанофарад.

Схемы на переключаемых конденсаторах создаются только на основе КМОП - технологии. Конденсаторы имеют структуру металл – диэлектрик – металл. Для верхнего электрода конденсатора используется слой верхнего уровня металлизированных соединений, для нижнего электрода – специальный слой тонкого металла. Тонкий металл наносится на последний планаризованный слой изолирующего диэлектрика. Сверху создается тонкий непланаризованный слой конденсаторного диэлектрика. Далее следует сложная операция вскрытия межуровневых контактных окон в диэлектриках разной толщины. Травление окон в тонком диэлектрике ( 0,1 мкм) должно остановиться при достижении нижнего электрода конденсатора, а при травлении толстого ( 1 мкм) необходимо дойти до поверхности предпоследнего уровня соединений. Селективность плазмохимического травления диэлектрика и металла должна быть больше чем 1:20. Последующая операция заполнения контактных окон металлом также осложняется разной толщиной диэлектриков. При формировании верхнего уровня металлизированных соединений и электродов конденсаторов используется слой металла наибольшей толщины (1,01,5 мкм), что облегчает соединение элементов по структуре с рельефом ( 0,4 мкм) и уменьшает сопротивление шин питания.

Конструкция точных конденсаторов включает не только два емкостных электрода, но и экранирующие заземленные электроды в последнем и предпоследнем уровнях металлизации. Заземленные электроды окружают конденсатор и снизу, и с боков, экранируя емкостные связи с другими элементами схемы. Такая сложная конструкция обеспечивает снижение последовательного сопротивления до величины менее 1 Ом и отклонения величин емкости идентичных конденсаторов менее 0,1%. Дополнительные операции для создания точных конденсаторов увеличивают стоимость производства микросхем. Практически используемая суммарная емкость точных конденсаторов – не более 1 нФ. Удельная емкость – 1 фФ/мкм ².