2.2.3 Конденсаторы и индуктивные элементы.

Н а рис. 2.11 показана структура МДП-конденсатора. Одной из обкладок является n⁺-слой 1 толщиной 0,3 … 1 мкм, другой - слой металла (алюминия) 2, а диэлектриком – слой 3 диоксида кремния. Такой конденсатор применяют в полупроводниковых микросхемах при незначительном усложнении технологического процесса (требуется дополнительные операции литографии и окисления для создания слоя 3). Слой 1 формируется с помощью той же операции легирования, что и эмиттеры биполярных транзисторов или истоки и стоки n-канальных МДП-транзисторов. Топологическая конфигурация конденсатора – квадратная ил прямоугольная. Для увеличения удельной емкости толщина d слоя 3 выбирается минимально возможной исходя из условия отсутствия пробоя: d  U_проб/Е_проб, где Е_проб – электрическая прочность слоя 3, т.е. напряженность электрического поля (около 600 В/мкм). Поэтому максимальная удельная емкость С_о = _о_д/d = _о_д Е_проб/U_проб. Например, при U_проб= 50 В получаем С_о = 410^-4 пФ/мкм².

Рис.2.10

Н а рис. 2.11, б приведена эквивалентная схема конденсатора, где r – сопротивление слоя 1, С_пар - паразитная емкость между слоем 1 и подложкой (барьерная емкость изолирующего p-n перехода), которая в 4…7 раз меньше полезной емкости С. Если обкладка 1 в схеме не соединена с общей шиной микросхемы, то высокочастотный, сигнал проходящий через конденсатор, ослабляется емкостным делителем в 1+С_пар/1,15… 1,25 раза. Сопротивление r определяет добротность на высокой частоте: Q=(2Crf)^-1.

Рис.2.11

При квадратной конфигурации r  2 Ом, тогда для С = 10 пФ и f = 10 МГц имеем Q = 750. На более высоких частотах из-за скин-эффекта r возрастает. Поэтому МДП-конденсаторы неприменимы в диапазоне СВЧ – надо использовать тонкопленочные конденсаторы. В отдельных случаях в качестве конденсаторов в полупроводниковых микросхемах на биполярных транзисторах применяют p-n-переходы. Такие конденсаторы могут работать только при одной полярности приложенного напряжения (обратном напряжении p-n-перехода). Добротность мала как на низких частотах (из-за влияния обратного сопротивления p-n-перехода), так и на высоких (сопротивление обкладок больше, чем в структуре рис. 2.10). Структура пленочного конденсатора гибридной микросхемы и его вид сверху показаны на рис. 2.11, а, б соответственно, где 1- подложка, 2 и 4 – металлические обкладки, 3 – диэлектрический материал. Наиболее технологичным диэлектрическим материалом является монооксид кремния, наносимый термическим вакуумным испарением. Он имеет _Д=5; Е_проб=(2 … 3)10⁶ В/см. положив U_проб=50 В получим максимальную удельную емкость С₀=(2 … 3)10^-4 пФ/мкм² при d=0,2 мкм. Близкие параметры обеспечивают боро- и алюмосиликатные стекла, наносимые тем же методом. Диоксид кремния имеет более высокую электрическую прочность и дает большую удельную емкость (410^-4 пФ/мкм²). Однако для его нанесения необходим более сложный метод реактивного распыления. В качестве обкладок конденсаторов с указанными диэлектриками используют пленки алюминия. Большую удельную емкость (до 10^-3 пФ/мкм²) имеют танталовые конденсаторы, в которых нижняя обкладка выполняется из Та, диэлектриком является слой Та₂О₂ (_Д=20), получаемый анодным окислением, а верхний обкладкой является слой Al.

В кремниевых полупроводниковых микросхемах тонкопленочных конденсаторов формируются на поверхности пластин, покрытых слоем SiO₂, а в арсенид-галлиевых микросхемах – непосредственно на поверхности нелегированной подложки. В качестве диэлектрика применяют слои SiO₂ или Si₃N₄ (С₀=610^-4 пФ/мкм²), наносимые методом химического осаждения из газовой фазы.

Температурный коэффициент емкости тонкопленочных конденсаторов 0,02 … 0,04%/^оС, а технологический разброс емкостей для разных микросхем 10 … 15 % (без подгонки). Добротность на высоких частотах определяется сопротивление обкладок. Алюминиевые обкладки имеют сопротивление слоя порядка сотых долей Ома на квадрат и обеспечивает высокую добротность (Q>>1) в диапазоне СВЧ. У танталовых конденсаторов сопротивление обкладки Та велико (100 Ом/), что снижает добротность, поэтому область применения ограничивается, как правило, частотами менее 1 МГц. Добротность на низких частотах определяется потерями, обусловленными поляризацией диэлектрика при воздействии переменного напряжения, и составляет 300 … 1000 на частоте 1 кГц (что соответствует тангенсу угла диэлектрических потерь tg =(1 … 3)10^-3).

Конденсаторы с емкостями порядка десятых долей пикофарад, необходимые в гибридных СВЧ-микросхемах, кроме структуры, показанной на рис 2.11, а, могут иметь гребенчатую структуру (рис. 2.12). размер гребенки L должен быть малым по сравнению с длинной волны, что легко достигается применением литографии. Конденсаторы такого типа удобны для включения в разрыв микрополосковой линии. Обкладки 1 и 2 совмещают с проводниками линии.

Д

Рис.2.12

ля получения тонкопленочных конденсаторов используют диэлектрические пасты, содержащие сегнетоэлектрик (например, титанат бария) с высокой диэлектрической проницаемостью (_Д>5000 при Т=20^оС). Это обеспечивает при толщине диэлектрического слоя 20 … 30 мкм удельную емкость до 210^-4 пФ/мкм² – примерно такую же, как в тонкопленочных конденсаторах. Напряжение пробоя (около 800 В) не является фактором, ограничивающим удельную емкость. Для получения обкладок применяют пасты на основе смеси серебра и палладия (те же, что и для проводников). Толстопленочные конденсаторы имеют температурный коэффициент примерно 0,1 %/^оС.

Пленочные индуктивные элементы представляют собой плоские прямоугольные или круглые спирали 1 (рис.2.13, а, б), формируемые на основе тех же пленок, что и проводники. Для изоляции центрального вывода в структуре на рис.2.13, а применен диэлектрический слой 2. Его толщина определяет паразитную емкость между центральным выводом и витками спирали. Паразитная емкость снижается, если вывод сделать в виде проволочной перемычки (рис.2.14, б) но это увеличивает площадь). При ширине проводника и расстояния между витками 30 … 50 мкм удельная индуктивность 10 … 20 нГн/мм². Элементы с индуктивностью 0,1 … 1 нГн, необходимые в СВЧ-микросхемах, имеют кольцевую структуру, показанную на рис.2.13, в. индуктивность, имеющая размерность нГн, L  0,6D(ln(4D/W)-2), где D и W выражаются в миллиметрах. Необходимо, чтобы длинна проводника, образующего виток, была много меньше длинны волны (D<0,1). Например при D=200 мкм, W=20 мкм получим L=0,3нГн. Из- за большой длинны проводника, образующего кольцо (лили спираль), его сопротивление велико, поэтому снижается добротность Q=4fL/D. Для проводника с R_сл=0,02 Ом/ имеем r=0,63 Ом и Q=3 при f =1 ГГц.

Рис.2.13