Полупроводниковые резисторы и конденсаторы

Диффузионный резистор – это полоска базового слоя с омическими контактами, полученная путем локальной диффузии.

Рис. 15. Диффузионный резистор

Сопротивление определяется по формуле:

, , где

R_s – удельное поверхностное сопротивление слоя.

r - удельное сопротивление обьёмного диффузного слоя.

При значении R_s=200Ом/ð максимальная мощность равна 0,1 Вт, при точности d = ±0,2%. a»1¸5мм, b»10¸15мкм, эти значения ограничиваются возможностями фотолитографии. Для данных типовых значений максимальное сопротивление равно 20кОм.

Для повышения значения сопротивления изготавливают зигзагообразные конструкции с числом петель N=3. При этом обеспечивается R_max=50-60кОм, но погрешность составляет 15-20%. Погрешность определяется неточностью процессов диффузии и фотолитографии. Сопротивление таких резисторов зависит от частоты т.к. присутствуют паразитные ёмкости.

Для получения малых номинальных сопротивлений используется низкоомный эпитаксиальный эмиттерный слой (R_s=5-15Ом/ð, d=5-20% и R_min=3-5Ом).

Ионно-легированный резистор получают локально-ионной имплантацией примесей, толщина слоя 0,2-0,3 мкм, R_s=10-20кОм/ð, R_max=300кОм, d=±5-¸10%. Здесь p-область создается диффузией, а n-область – локально-ионной имплантацией примесей.

Рис. 16. Ионно-легированный резистор

 

Диффузионный конденсатор – это ёмкость созданная на границе обратно смещенного p-n перехода (коллектор - база)

 

Рис. 17. Диффузионный конденсатор

 

Емкость диффузионного конденсатора определяется по формуле:

, где

С₀₁, С₀₂ удельная ёмкость донной и боковой части p-n перехода.

Оптимально, когда a=b, то С₀₁ > С₀₂. С₀₁=150пФ/мм²; С₀₂=пФ/мм² При использовании эмиттерного перехода C_max в 5-7 раз больше из-за большей удельной ёмкости p-n перехода.

Недостаток заключается в том, что ёмкость зависит от напряжения приложенного к переходу и имеет малую добротность и работает в строго определенной полярности.

Конденсаторы метал-оксид кремния-полупроводник (МОП) – это конденсаторы, нижняя обкладка которых является сильно легированным n+-слоем (слой с низким удельным сопротивлением), а верхняя обкладка – это слой напыленного алюминия.

Рис. 18. МОП конденсатор

 

Толщина слоя диэлектрика (SiO2) = 0.12-0.05 мкм. Ёмкость определяется как  и составляет 350¸650 пФ/мкм. МОП конденсатор работает при любой полярности, но его ёмкость зависит от напряжения и от частоты (ёмкость мала при высоких частотах >2МГц).

МОП и КМОП транзисторы

В настоящее время технология изготовления МОП и КМОП занимает лидирующее положение.

Сравнительные оценка характеристики параметров биполярных и МДП ИМС:

Таблица 3.

Характеристика и параметр	Биполярные ИМС	МДП ИМС
Площадь занимаемая транзистором на подложке (ср. значение) мкм^2	2600-3800	130-200
Площадь занимаемая схемой (ср. значение) мм^2	1,25 х 1,23	1,5 х 2,2
Максимальная степень интеграции (число элементов на одном кристалле)	(2-5)*10^4	(1-5)*10^5
Быстродействие, МГц	1-50	1-20
Потребляемая мощность, мВт	5-30	5
Задержка распространения, нс	5-20	30
Помехоустойчивость, В	0,08-0,75	1,5-5
Нагрузочная способность	5	50
Технология изготовления
А) количество диффузных процессов	3-4	1-3
Б) количество фотолитографических процессов	6-8	6-10

Комплиментарная пара в логике инвертор

Рис. 19. Комплиментарная пара

 

С начала 70-х годов развивалась технология РМОП ИС с металлическим затвором, затем они были заменены на РМОП ИС с кремниевыми затворами, а еще позже – на МОП транзисторы с кремниевыми затворами. Применение данных схем приводит к некоторым проблемам:

1) необходимость в ограничении рассеиваемой мощности;

2) необходимость уменьшения рабочих температур БИС, построенных на МОП транзисторах;

3) необходимость уменьшения восприимчивости ИС памяти к случайным сбоям;

4) повышение помехоустойчивости ИС.

 

Особенности МОП технологии:

В техническом процессе отсутствуют операции по изоляции технических структур. Весь процесс изготовления интегральных схем сводится к формированию МОП транзисторов и создания элементов между ними т. к. на МОП структурах можно реализовать резисторы и конденсаторы. Внутри схемы соединения выполняют с помощью материала затвора тем самым упрощая задачу многослойной разводки.

Размеры МОП транзисторов гораздо меньше биполярных транзисторов, что позволяет создать микросхему с высокой степенью компоновки.

Схема технического процесса изготовления интегральных схем МОП:

1) на n типа подложке осаждается эпитаксиальная пленка p типа толщиной 10мкм;

2) выполняется термическое окисление с образованием пленки SiO₂ толщиной 1 мкм;

3) нанесение фоторезиста и получение определенного рисунка;

4) проведение разделений диффузии при донорной примеси на глубину эпитаксиальной пленки;

5) термическое окисление;

6) изоляция карманов p типа;

7) фотолитографическое получение защитной маски;

8) повторная диффузия донорной примеси для получения сильно легированных областей n типа;

9) окисление пластины и получение подзатворного диэлектрика толщиной 0,1 мкм;

10) фотолитография для получения рисунка окон и подомических контактов и травление;

11) термическое осаждение алюминия для омических контактов и затворов через трафареты;

 

Проблемы, возникающие при изготовлении МОП ИС:

1) Наличие SiO₂ под затвором положительных и отрицательных зарядов.

2) Образование паразитных МОП транзисторов под металлической разводкой.

3) Возникновение перекрытия затвора с областями стока и истока (перекрытие приводит к увеличению ёмкостей затвор-исток и сток-исток, что ведет к снижению быстродействия).

Способы увеличения быстродействия МОП ИС:

1) Увеличение быстродействия за счет уменьшения ёмкостей перекрытия. Найдено решение – применение технологии самосовмещенных затворов. Идея технологии заключается в том, что слои стока и истока выполняются не до, а после выполнения затвора. При этом затвор используется в качестве маски.

2) Использование в качестве металлического затвора слой поликремния. Такой метод направлен на уменьшение порогового напряжения, для того чтобы уменьшить напряжение питания и рассеиваемую мощность.

Методы для уменьшения порогового напряжения (чем меньше пороговое напряжение, тем ниже напряжение питания схемы и потребляемая ей мощность):

1) Применение МОП транзисторов с кремниевыми затворами. U₀ = 1¸2 В. Материал подложки и затвора одинаковый, следовательно разность потенциалов равна нулю.

2) Использование молибдена в качестве затвора (эффект тот же что и в первом случае)

3) Замена диэлектрика под затвором с SiO₂ на Si₃N_4, у которого диэлектрическая проницаемость в 1,5 раза выше, следовательно уменьшится U₀.

 

Преимущества КМОП технологии:

1. Логические перепады напряжения равны напряжению питания (требуется меньшее напряжение питания, чтобы перейти из одного состояния в другое).

2. Повышенная помехоустойчивость.

3. Меньшая потребляемая мощность (один транзистор открыт, другой закрыт и ток почти не течет).

4. Увеличился коэффициент усиления.

КМОП структуры изготовляются по планарно-эпитаксиальной технологии. Структуры МОП изготавливаются по самосовмещенной технологии.