Пассивные элементы полупроводниковых микросхем

Интегральные резисторы.

Резисторы микросхем изготавливают на основе диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и при помощи ионного легирования.

Диффузионные резисторы (ДР). ДР изготавливают одновременно с базовой или эмиттерной областью транзистора. Сопротивления тела ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p–n переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и характеризуется распределением примеси по глубине диффузионного слоя. При создании микросхем параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характеристик n–p–n транзисторов, поэтому параметры ДР улучшаются не за счет варьирования технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров тела резистора. Геометрические формы ДР представлены на рис. 30. Низкоомные резисторы (десятки Ом) имеют форму, представленную на рис. 30, а и малое отношение длины к ширины (l/b). Форма и размер контактов к ним выбирается такими, чтобы сопротивление при контактной области было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением в сотни Ом и до единиц кОм имеют вид, изображенный на рис. 30, б, в, в котором длина и ширина приконтактной области равна ширине резистора. Топология, показанная на рис. 30, д, г, используется для создания высокоомных резисторов. В ней тело резистора имеет сравнительно малую ширину, контактные области имеют размеры, определяемые возможностями технологии по созданию надежного контакта металлического проводника с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы имеют форму меандра (рис. 30, е) или изготавливаются в донной части базового слоя, так называемые пинч–резиторы (рис. 30, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров кристалла, т.е. 1…5 мкм, а ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемого возможностью фотолитографии (2,5…3 мкм), и боковой диффузией p–n перехода под окисел. Типичные значения сопротивлений ДР, которые можно получить при данной величине r _S, лежат в диапазоне 0,25· r _S < R <10⁴· r _S. Нижний предел ограничивается сопротивлением контактных областей, а верхний – допустимой площадью, отводимой под резистор.

Воспроизводимость номинальных значений сопротивления ДР обычно составляет 15…20 % и зависит от ширины резистора. Отклонение от номинального сопротивления резистора, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, т.е. меняются в одну сторону, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью. Аналогично температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКС для отдельного резистора (0,15…0,03 %/°C). Эта особенность ДР учитывается при разработки полупроводниковых микросхем.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов (3…100 Ом с ТКС 0,01…0,02 %/°C), поскольку r _S эмиттерного слоя не велико.

Пинч–резисторы. При необходимости создания в микросхемах резисторов с большим сопротивлением используют пинч–резисторы. Они формируются на основе донной слаболегированной области базового слоя с большим сопротивлением и имеют меньшую площадь сечения (рис. 31). максимальное сопротивления таких резисторов составляет 200…300 кОм/. Пинч–резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50 %) из–за трудностей получения точных значений толщины донной части p– слоя, большой ТКС (0,3…0,5 % / °С) из–за меньшей степени легирования донной части.

У пинч–резистора n ⁺– и p – слое закорочены закорочены металлизацией (см. рис. 31) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч–резистора. Этот резистор имеет линейный участок ВАХ только до напряжения 1…1,5 В, а его пробивное напряжение составляет 5…8 В. Структура этих резисторв такаяже, как и у ДР, на глубина ионно–лигированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1…0,3 кмк (рис. 32). Ионной имплантацией можно обеспечитбь малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соотвествующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10…20 мин при 500…600 °C) можно получить r_S =0,5…200 кОм/, в резисторах, изображенных на рис. 32, а и r_S =500…1000 кОм/, в резисторах, изображенных на рис. 32, б могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни кОм со сравнительно низким ТКС и допуском ±10 %. Ширина и толщина ионно–легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение хорошего омического контакта к ним. В качестве контактов к ним используют диффузионные области p – или n – типа, которые формируются на стадии базовой или эмиттерной диффузии.

Тонкопленочные резисторы. В совмещенных микросхемах поверх защитного слоя диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми они имеют следующие преимущества: меньшее значение паразитных параметров, более высокая точность изготовления, низкое значение ТКС.

Интегральные конденсаторы.

В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных p–n переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок – легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых микросхем невысоки, а для получения больших емкостей необходимо использовать значительную площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой микросхемы стремятся исключить конденсаторы.

Диффузионные конденсаторы. Для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) можно использовать любой p–n переход: коллектор–подложка (рис. 33, а), база–коллектор (рис. 33, б), эмиттер–база (рис. 33, в), переход p– область изолирующей диффузии и n ⁺–область скрытого слоя (рис. 33, г). Варианты а и г не могут быть реализованы в микросхеме с диэлектрической изоляцией.

Поскольку ширина обедненного слоя обратно смещенного перехода зависит от напряжения, емкость ДК тоже меняется с изменением напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой:

                                   ()

где K – коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования диффузионных областей, показатель m принадлежит промежутку от 0,33 до 0,5, причем m = 0,5 соответствует ступенчатому переходу, а m = 0,33 линейному переходу. Остальные значения m лежащие между этими значениями соответствуют реальным профилям распределения. Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малым пробивным напряжением и добротностью. Коллекторный переход используется наиболее часто для формирования ДК (рис. 33, б).

МДП–конденсаторы. Конструкция МДП–конденсаторов представлена на рис. 34. Нижней обкладкой служит эмиттерный n ⁺–слой, верхней – пленка Al. Диэлектриком служит тонкий слой SiO₂ или Si₃N₄. Толщина диэлектрика составляет 0,05…0,12 мкм. Недостатком МДП–конденсаторов с составе биполярных микросхем является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика.

Тонкопленочные МДМ–конденсаторы. МДМ–конденсаторы используют в совмещенных микросхемах. Он состоит из двух металлических слоев, разделенных диэлектрическим слоем. В качестве обкладок используют Al или Ta, тогда в первом случае с качестве диэлектрика используют Al₂O₃, во втором – Ta₂O₅. Диэлектрическая постоянная у Ta₂O₅ на порядок больше чем у большинства других диэлектриков, но он не используется в микросхемах работающих при высоких частотах. МДМ–конденсаторы, как и МДП– конденсаторы работают при любой полярности. Их недостатком является удлинение технологического маршрута изготовления и необратимый отказ в случае пробоя диэлектрика.