Пассивные элементы

Диффузионные резисторы

В полупроводниковых интегральных микросхемах биполярный транзистор является элементом с самой сложной структурой. Для его формирования необходимо провести последовательно несколько этапов диффузии примесей. Чтобы не усложнять технологию изготовления интегральной микросхемы, целесообразно для создания резисторов использовать одну из областей транзисторной структуры: эмиттер, базу или коллектор (рис. 25).

Рис. 25. Возможные варианты использования различных областей транзисторной структуры в качестве резистивных слоев для формирования диффузионных резисторов полупроводниковой интегральной микросхемы (а, б, в) и некоторые варианты конфигурации резистивного слоя и электродов резистора (г, д).

Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примесей и обладает наименьшим удельным сопротивлением слоя. Поэтому эмиттерная область пригодна для формирования диффузионных резисторов только с малым сопротивлением (около 10 Ом). Из-за большой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов будут малы.

Коллекторная область транзисторной структуры содержит наименьшую концентрацию примесей. Поэтому коллекторная область вообще пригодна для формирования диффузионных резисторов с большим сопротивлением, но из-за малой концентрации примесей температурные коэффициенты сопротивления таких резисторов велики.

Таким образом, для формирования диффузионных резисторов обычно используют базовую область транзисторной структуры. Без существенного увеличения площади, занимаемой диффузионным резистором, в базовой области могут быть созданы резисторы с сопротивлением до 50 кОм. В то же время такие диффузионные резисторы имеют приемлемые температурные зависимости сопротивления; во всяком случае, эти зависимости более слабые, чем для диффузионных резисторов, сформированных в коллекторной области.

Диффузионные резисторы, как и другие резистивные элементы, характеризуют следующие параметры: диапазон номиналь­ных значений сопротивления (ограничен сверху), допуски по сопротивлению, темпе­ратурный коэффициент сопротивления, допустимая мощность рассеяния и максимальное напряжение.

В массовом производстве интегральных микросхем диффузионные резисторы не могут быть изготовлены с достаточно малыми пределами допусков по ряду причин. Например, трудно выдерживать необходимую поверхностную концентрацию примесей и глубину диффузии с высокой точностью. Различные этапы фотолитографического процесса, несмотря на совершенство применяемого оборудования, вносят в абсолютное значение сопротивления диффузионного резистора существенную ошибку, особенно для резисторов с узкой шириной резистивной диффузионной полоски.

Температурный коэффициент сопротивления диффузионного резистора зависит от концентрации примесей в использованном диффузионном слое. Так как диффузионные резисторы формируют в базовых областях транзисторных структур, то концентрация примесей в этих областях определяется необходимыми параметрами и свойствами транзисторов.

Допустимая мощность рассеяния диффузионных резисторов ограничена малыми размерами и топологией резистивной диффузионной полоски резистора (рис. 25, г, д), а также связана с температурным коэффициентом сопротивления резистора, так как нагрев резистора проходящим током вызывает изменение сопротивления и приводит к нелинейности ВАХ.

Максимальное напряжение — это специфический параметр диффузионных резисторов. Диффузионный резистор, как отмечалось, представляет собой диффузионную полоску с определенным типом электропроводности, отделенную от подложки интегральной микросхемы p-n-переходом. Электронно-дырочный переход должен быть смещен в обратном направлении для изоляции диффузионной полоски от подложки. Поэтому максимальное падение напряжения на резисторе не может быть больше напряжения смещения, которое, в свою очередь, не может превышать пробивного напряжения изолирующего p-n -перехода.

Кроме перечисленных недостатков диффузионных резисторов и трудностей проектирования и создания интегральных микросхем с диффузионными резисторами необходимо отметить, что при формировании интегральных микросхем вообще и микросхем с диффузионными резисторами в частности в структуре интегральной микросхемы образуются паразитные элементы, которые могут нарушить нормальную работу интегральной микросхемы.

Диффузионный резистор отделен от подложки р-л-переходом, который имеет собственную барьерную емкость. Эта емкость может оказывать существенное влияние на работу схемы при высоких частотах. Другим паразитным элементом, возникающим возле диффузионного резистора, может быть паразитный биполярный транзистор, эмиттером которого является диффузионный резистивный слой, базой — коллекторная область исходной транзисторной структуры, коллектором — подложка интегральной микросхемы (рис. 25, б). Если изолирующий p-n -переход между резистивной полоской и подложкой (эмиттерный переход паразитного транзистора) окажется смещенным в прямом направлении, то паразитный транзистор может нарушить работу интегральной микросхемы. Поэтому и необходимо, чтобы падение напряжения на диффузионном резисторе не превышало максимального напряжения.

Несмотря на отмеченные недостатки, диффузионные резисторы широко применяют в интегральных микросхемах, так как их формирование не требует дополнительных технологических операций и не удорожает схему.

Пленочные резисторы

О сновой пленочного резистора является резистивная пленка из металла (хром, тантал, палладий), металлического сплава (нихром) или металлокерамики (кермет). Резистивную пленку определенной конфигурации тем или иным способом наносят на диэлектрическую подложку гибридной интегральной микросхемы или на окисленный кристалл полупроводниковой интегральной микросхемы, изготовленной по совмещенной технологии (рис. 26).

Рис. 26. Возможная конфигурация пленочного резистора: 1 — металлические электроды; 2 — резистивная пленка; 3 — диэлектрическая подложка гибридной интегральной микросхемы

Материал, используемый для резистивных пленок, должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона номинальных значений сопротивления, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления, высокой коррозионной стойкостью и стабильностью параметров во времени. Наибольшее распространение получили нихромовые резистивные пленки из-за их стабильности и возможности их создания с малым температурным коэффициентом сопротивления.

После осаждения пленки нихрома на диэлектрическую подложку производят термообработку путем отжига пленки на воздухе. При этом нихромовая пленка покрывается слоем оксида, который значительно улучшает стабильность пленочного резистора.

При создании пленочных резисторов на диэлектрической подложке не образуется паразитных элементов, которые получаются в полупроводниковых интегральных микросхемах с диффузионными резисторами.

Для нанесения резистивной пленки могут быть использованы различные способы: термическое испарение резистивного материала в вакууме (из резистивного испарителя или с помощью электронного луча), катодное распыление, анодирование осажденных на подложку металлических пленок и химическое осаждение при химической реакции в газовой фазе. Термическое испарение в вакууме — наиболее простой и производительный метод получения резистивных пленок, а также других металлических и диэлектрических пленок, необходимых для изготовления интегральных микросхем. Унификация технологических операций получения различных элементов интегральной микросхемы, воз­можность изготовления этих различных элементов в едином технологическом цикле — это существенное преимущество термического испарения в вакууме среди других способов нанесения резистивных пленок.

Диффузионные конденсаторы

В качестве конденсаторов интегральных микросхем часто используют барьерную емкость p-n -перехода, смещенного в обратном направлении. Такой пассивный элемент интегральной микросхемы удобно формировать одновременно с формированием транзисторных структур или использовать непосредственно р-п-переходы транзисторных структур (рис. 27). Барьерная емкость p-n -перехода может быть использована как для создания конденсатора постоянной емкости, так и для конденсатора переменной емкости, которой можно управлять путем изменения постоянного смещения на переходе.

Рис. 27. Структура диффузионного конденсатора с использованием барьерной емкости коллекторного перехода транзисторной структуры (диффузия доноров для формирования эмиттерной области не проводилась).

Качество диффузионных конденсаторов, как и других конденсаторов, и их пригодность для применения в интегральных микросхемах необходимо оценивать по их технологической совместимости с технологией других (в первую очередь активных) элементов интегральных микросхем и по таким основным параметрам, как диапазон номинальных значений емкости (или удельная емкость), пробивное напряжение, добротность, допуски по емкости.

Диапазон номинальных значений емкости диффузионных конденсаторов, которые могут быть сформированы на отведенных для них площадях монокристалла полупроводника, определяется концентрацией примесей в прилегающих к переходу областях. Диффузионные конденсаторы, использующие эмиттерную емкость транзисторной структуры, имеют большую удельную емкость по сравнению с конденсаторами на коллекторном переходе.

Однако при большой концентрации примесей в прилегающих к переходу областях и, следовательно, при малой толщине перехода будет мало пробивное напряжение такого перехода, а значит, и диффузионного конденсатора. Таким образом, удельную емкость и пробивное напряжение диффузионных конденсаторов надо рассматривать совместно. Взаимосвязь между этими параметрами оказывается неблагоприятной для диффузионных конденсаторов.

Добротность — величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь диффузионных конденсаторов, обычно значительно ниже добротности дискретных конденсаторов с диэлектрической изоляцией. Однако стоимость формирования диффузионных конденсаторов мала, так как они создаются в едином технологическом процессе с другими элементами интегральной микросхемы. Поэтому диффузионные конденсаторы широко используют в интегральных микросхемах, когда можно мириться с низкой добротностью.

Диффузионный конденсатор, как и другие элементы интегральной микросхемы, должен быть изолирован от остальных элементов и от подложки интегральной микросхемы. Часто эта изоляция осуществляется р-л-переходом. Поэтому при формировании диффузионного конденсатора одновременно образуется и структура паразитного транзистора, эмиттером которого является одна из областей (обкладок) диффузионного конденсатора, базой — другая область (обкладка), коллектором — подложка (рис. 27).

В связи с зависимостью барьерной емкости от напряжения смещения на p-n -переходе диффузионные конденсаторы могут быть использованы для усиления электромагнитных колебаний, т. е. могут быть активными элементами интегральных микросхем.

МДП-конденсаторы

В качестве диэлектрика такого конденсатора используют слой диоксида кремния, которым покрыт кристалл полупроводника (рис. 28). Одной обкладкой конденсатора является слой металла (обычно алюминия), нанесенный на поверхность слоя диоксида кремния одновременно с созданием межэлементных соединений и контактных площадок; другой обкладкой — сильнолегированная область полупроводника, которая формируется одновременно с формированием эмиттерных областей транзисторных структур интегральных микросхем. Таким образом, процесс изготовления МДП-конденсаторов также не требует проведения дополнительных операций для их формирования.

Рис. 28. Структура МДП-конденсатора.

В островке, предназначенном для МДП-конденсатора, не формируют базовую область транзисторной структуры, т. е. не проводят диффузию примесей для создания базовой области. Поэтому под МДП-конденсатором есть только один p-n -переход между коллекторной областью транзисторной структуры и подложкой, который необходим для изоляции МДП-конденсатора от других элементов, расположенных на одной с ним полупроводниковой пластине.

Следует отметить, что емкость МДП-конденсатора может иметь сложную зависимость от напряжения постоянного смещения и от частоты переменного напряжения. Связано это с возможностью образования у поверхности полупроводника (в данном примере у поверхности п⁺ -области) обедненных и инверсных слоев под действием проникающего в полупроводник электрического поля. Частотная зависимость емкости МДП-конденсатора может появиться, если в полупроводнике образуется инверсный слой, в котором накопление и рассасывание неосновных для исходного полупроводника носителей заряда происходят в результате процессов тепловой генерации и рекомбинации, а инерционность этих процессов может быть велика.

Пленочные конденсаторы

Пленочные конденсаторы формируют на диэлектрической подложке гибридных интегральных микросхем. При этом необходимо провести по крайней мере три операции вакуумного напыления: нижней проводящей обкладки конденсатора, диэлектрической пленки и верхней проводящей обкладки (рис. 29).

Рис. 29. Структура пленочного конденсатора: 1 — диэлектрическая подложка, 2 — нижняя обкладка, 3 —диэлектрическая пленка, 4 — верхняя обкладка.

Такой пленочный конденсатор называют однослойным. Для получения большей емкости или для уменьшения площади, занимаемой конденсатором на подложке, можно делать многослойные пленочные конденсаторы, секции которых располагают «этажами» — одна над другой. Однако создание «многоэтажных» конденсаторов затрудняет процесс их изготовления, так как надо вводить дополнительные операции нанесения различных слоев, повышает стоимость, уменьшает надежность, увеличивает процент брака из-за увеличения краевого эффекта, уменьшения плотности и электрической прочности верхних диэлектрических слоев.