3.3. Пассивные элементы

Варианты конструкции диффузионных резисторов

Резисторы в биполярных ИМС формируются в любом из диффузион­ных слоев транзисторной структуры (эмиттерной или базовой облас­тях), в эпитаксиальном слое (коллекторной области) и с помощью ионного легирования любой области транзистора.

Диффузионные резисторы (ДР) изготавливаются одновременно с базовой или эмиттерной областями транзистора. На рис.4,а пред­ставлена структура ДР на основе базовой диффузии, как наиболее широко применяемая. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n –переходом, зависит от геометрических размеров резистивной облас­ти и распределения примеси по глубине диффузионного слоя, которое характеризуется удельным поверхностным сопротивлением ρ_s. Типичные значения сопротивления ДР при заданном значении ρ_s лежат в диапазоне 4 ρ_s <R<10⁴ ρ_s. Нижний предел ограничен сопротив­лением приконтактных областей, верхний - допустимой площадью отводимой под ДР.

Пинч-резисторы (канальные, сжатые, закрытые) применяются для создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм (рис.4,б). Обычно такие резисторы формируются на основе слаболегированной базовой области, имеющей большое сопротивление и меньшую площадь сечения ( R=200÷300 кОм). Недостатком является большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины базовой области.

Рис.4

Эпитаксиальные резисторы (ЭР) формируются в коллекторной области транзисторной структуры (рис.5,а), которая имеет наимень­шую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение удельного поверхностного сопротивления (500÷5000) Ом/кв. Посколь­ку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость ЭР по­стоянна по всему его сечению в отличие от ДР.

Рис.5

Эпитаксиальные пинч-резисторы отличаются от ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено на глубину базового слоя (рис.5,б)

Ионно-легированные резисторы отличаются малой глубиной ионно-легированных слоев ( h=0,1÷0,3 мкм) (рис.6). Ионная имплан­тация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига можно получить ρ_s =(0,5÷20) к0м/кв, в резисторах со структурой, показанной на

рис.6,а, и ρ_s =(500÷1000) Ом/кв в резисто­рах со структурой, показанной на рис.6,б.

Рис.6

Топология интегральных резисторов представлена на рис.7,а,б,в,г, а в табл.2 даны их основные параметры.

Рис.7

Низкоомные резисторы (десятки oм) имеют малое отношение длины к ширине резистора (рис.7,а). Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом имеют вид, изображенный на рис.7,6. Для высокоомных резисторов (до 20 кОм) применяют резисторы, топо­логия которых показана на рис.7,в,г. Резисторы с сопротивлением до 60 кОм имеют форму меандра (рис.7,д).

Таблица 2

Тип резистора	Толщина слоя h,мкм	ρs·10-2,Ом/кв	ТКС αR·103,1/С˚	γR,%
Диффузионные резисторы:
на основе базового слоя	1,5÷3,5	1÷3	±(0,5÷3)	±(5÷20)
на основе эмиттерного слоя	0,5÷2,0	0,02÷0,15	±(0,1÷0,5)	±20
Пинч-резистор	0,5÷1,0	20÷150	±(1,5÷3)	±50
Эпитаксиальный резистор	7÷10	5÷50	(2÷4)	±(15÷25)
Эпитаксиальный пинч-резистор	0,5÷1,0	40÷80	4	±(20÷25)
Ионно-легированный резистор:
n-типа	0,1÷0,2	5÷10	±(1,5÷5)	±50
p-типа	0,1÷0,3	5÷200	±(1,5÷3)	±50

Методика расчета диффузионного резистора

При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируются с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшаются не изменением техно­логических режимов, а выбором конфигурации и геометрических раз­меров резисторов.

Исходными данными для расчета геометрических размеров резисторов являются: номинальное значение сопротивления R с до­пустимой относительной погрешностью γ=ΔR/R; удельное поверх­ностное сопротивление материала резистора ρ_s; значение мощности рассеяния Р , максимальная рабочая температура Т_max, и основ­ные технологические и конструктивные ограничения (см. прил. 1.)

Полная относительная погрешность сопротивления ДР опреде­ляется суммой погрешностей:

γ_R=γ_Кф+γ _ρs+γ_RT , (1)

где γ_Кф =ΔК_ф/К_ф=Δl/l+Δb/b – относительная погрешность коэффициента формы. Здесь К_ф=l/b (l и b – длина и ширина резистора); Δl и Δb -абсолютные значения погрешности длины и ширины ре­зистора. Так как разброс линейных размеров одинаков, то Δb=Δl= 0,05÷0,1 мкм); γ _ρs=Δ ρ_s/ρ_s относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления (для прак­тических расчетов это значение лежит в пределах (5÷10)%); γ_RT =α_T(T_max-T₀) - относительная температурная погрешность сопротив­ления ( T₀ - температура окружающей среды).

1. Рассчитать относительную погрешность коэффициента формы резистора из выражения (1):

γ_Кф = γ_R - (γ _ρs + γ_RT) (2)

2. Определить расчетную ширину резистора из условия

b_расч ≥ max(b₀,b_p,b_T), (3)

где b₀ - минимальная ширина резистора, определяемая технологи­ческими ограничениями. При выборе b₀ необходимо учитывать, что ширина ДР ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностью процесса фотолитографии (2-3 мкм). Для эпитаксиально-диффузионной технологии b₀= 5 мкм (см. прил. 1); b_p - минимальная ширина резистора, определяемая допустимой мощностью рассеяния Р и удельной мощностью рассеяния Р₀ (для Si Р₀= 0,5÷4,5 Вт/мм²):

b_p = (4)

b_T - минимальная ширина резистора, обеспечивающая заданную точ­ность его изготовления, которая в основном определяется относи­тельной погрешностью коэффициента формы γ_Кф , рассчитанной по выражению (2):

⁽⁵⁾

3. Определить промежуточное значение ширины резистора

b_пр= b_расч - 2(Δ_тр+Δy) ,

где Δ_тр - погрешность, вносимая за счет растравливания окон в маскирующем слое (Δ_тр = 0,2÷0,5 мкм); Δy – погрешность, вносимая за счет ухода диффузионного слоя под маскирующий оксид в боковую сторону

(Δy=0,6х_p-n длz базового слоя и Δy=0,8 х_p-n для эмиттерного слоя).

4. Определить топологическую ширину резистора b_топ (ширину резистора на чертеже топологии). Для этого необходимо выбрать шаг координатной сетки кратным 0,5; 0,1; 0,2; 0,5; I мм.

5. Определить расчетную длину резистора:

l_расч=b( - nК_фк - К_изгN_изг) (6)

где n - число контактных площадок резистора; К_изг= 0,55 - коэф­фициент, учитывающий поворот резистора на угол π/2 ; N_изг - количество изгибов;

К_фк- коэффициент формы контактных площадок (рис.8).

Рис.8

Длина однополоскового резистора не может превышать размера активной области кристалла (l = 1÷5 мм).

Варианты конструкций конденсаторов

В полупроводниковых биполярных ИМС используются конденсаторы на основе p-n -переходов (диффузионные или ионно-легированные) и конденсаторы типа металл-диэлектрик-полупроводник (МДП); в совмещенных ИМС применяют МДП-конденсаторы и конденсаторы типа металл -диэлектрик-металл (МДМ),

Диффузионные конденсаторы формируются на основе любого из

p-n -переходов транзисторной структуры: коллектор-подложка (рис.9,а), эмиттер-база (рис.9,б), база-коллектор (рис.9,в). Вы­бор p-n -перехода определяется значением емкости, допустимыми напряжениями на переходе и другими требованиями. Низковольтные конденсаторы обычно формируются на p-n -переходе эмиттер-база. Наиболее часто используется конденсатор на p-n -переходе база-коллектор.

Рис.9

Рис.10

Если номиналы конденсаторов не укладываются в ограничения, накладываемые диффузионной технологией, или не выполняются огра­ничения по их температурным коэффициентам и паразитным параметрам, то в качестве конденсатора используется МДП-конденсатор (рис.10,а) Реже используются конденсаторы типа МДМ (рис.10,б), т.к. их изго­товление связано с использованием пленочной технологии.

Полная емкость МДП-конденсатора складывается из последова­тельно включенных емкостей диэлектрика и емкости пространственно­го заряда в полупроводнике С_опз. С_опз зависит от знака и величины приложенного к конденсатору напряжения. Если к верхнему металли­ческому электроду приложено положительное напряжение (рис.10,а), то полная емкость

МДП-конденсатора определяется емкостью диэлект­рика. Расчет

такого конденсатора аналогичен расчету МДМ-конденсатора и будет

рассмотрен в 4.

Параметры конденсаторов приведены в табл.3.

Таблица 3

Тип конденсатора	Удельная емкость С0,пФ/мм2	Максимальная емкость Cmax,пФ	Относительная погрешность γс,%	Пробивное напряжение Uпр,В
Диффузионный на переходе:
коллектор-подложка	400÷250 (250)*	-	±(15÷20)	35÷70
эмиттер-база	350÷1000 (1000)*	1200	±20	7÷8
база-коллектор	90÷350	300	±(15÷20)	30÷70
МДП с диэлектриком:
SiO2	400÷600	500	±20	30÷50
Si3N4	800÷1600	1200	±20	50

* В скобках указаны С₀ для боковых стенок p-n -переходов.

Методика расчета конденсатора на основе p-n -перехода

Исходными данными для расчета конденсатора являются: необходимое значение емкости С , относительная погрешность емкости γ_С , рабочее напряжение U_p , максимальная рабочая температура Т_max , основные технологические и конструктивные ограничения. Порядок расчета диффузионного конденсатора следующий.

1. Выбрать тип и конструкцию конденсатора..

2. Рассчитать удельную емкость p-n –перехода

С₀=εε₀/d_опз ,

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника (для кремния ε = 12); ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; d_опз - толщина обедненного слоя p-n -перехода или область пространственного заряда (ОПЗ) [3].

Для резкого p-n -перехода со ступенчатым изменением концентрации примеси ширина ОПЗ определяется по формуле

d_опз= ,

где U - напряжение обратного смещения; q - заряд электрона; N - концентрация примеси слаболегированной области; φ_k - контактная разность потенциалов перехода, которая рассчитывается по формуле

φ_k =

Здесь k -константа Больцмана; Т - рабочая температура;

N_a,N_d -концентрация, соответственно, акцепторов и доноров на границе ОПЗ p-n -перехода; n_i - концентрация носителей заряда в полупроводнике с собственной проводимостью (для Si n_i= 1,5·10¹⁰ см^-3) [33].

3. Оценить площадь емкостного p-n -перехода S_n, приняв одинаковыми удельные емкости донной С_0дон и боковой С_0бок сторон p-n-перехода:

Sn=C/C₀

4. Определить размеры конденсатора с учетом боковой диффузии [3]:

S_n=S_дон + S_бок

где S_дон и S_бок - площади, соответственно донной и боковой частей конденсатора:

S_дон =LB ; S_бок =πx_p-n(L+B)+2πx²_p-n

Здесь L и B - размеры окна под диффузию. Соотношение S_дон и S_бок зависит от L/B . Оптимальным является L/B=1, при этом для “боковой” емкости оно минимально. Определить соотношение S_дон и S_бок для “квадратного” конденсатора с помощью графика рис.11 и вычислить L.

Рис.11

5. Уточнить форму и размеры конденсатора и проверить на соответствие заданной относительной погрешности.

Если "квадратная" форма конденсатора неудобна, с точки зрения топологии ИМС, то следует придать конденсатору прямоугольную или сложную форму так, чтобы он укладывался по площади в S_дон а за­тем для взятых L и В проверить номинал емкости по формуле

С=С_0донS_дон + C_0бокS_бок

Конденсатор спроектирован правильно, если не пре­вышает заданной.

4. ГИБРИДНЫЕ (ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ) ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

4.1. Правила разработки топологии ГИС

Разработку топологии рекомендуется проводить в такой после­довательности:

• выбрать активные (дискретные) элементы;

• рассчитать пленочные элементы - резисторы и конденсаторы;

• составить схему соединения элементов на подложке;

• определить необходимую площадь подложки:

S=K(S_ΣR+S_ΣC+S_ΣK+S_Σа.э.) ,

где K - коэффициент запаса по площади ( K= 2 ~ 3); S_ΣR, S_ΣC, S_ΣK -пощади, занимаемые всеми резисторами, конденсаторами, контактными площадками; S_Σа.э. - суммарная площадь активных (на­весных) элементов;

• согласовать с типоразмером подложки. Рекомендуемые размеры подложек: 20×24; 20×16; 15×16; 15×8 мм и т.д.

• разработать эскиз топологии.

Разработка эскиза топологии

1. Вычертить принципиальную электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности (в

соответствии с цоколевкой корпуса). При этом следует стремиться, с одной стороны, к минимизации числа пересечений, с другой сто­роны, к минимизации длины проводников, находя, в конечном итоге, компромиссное решение.

2. В масштабе 10 : 1 или 20 : 1 в прямоугольной системе коор­динат вычертить эскиз топологии. Элементам придавать форму в виде отрезков прямых линий, параллельных осям координат.

3. При вычерчивании общего вида топологии для различных слоев ИМС рекомендуется использовать линии разного цвета.

После выбора расположения элементов и контактных площа­док, а также создания рисунка разводки на свободном месте следует расположить фигуры совмещения. Фигуры совмещения могут иметь различную форму (крест, треугольник, квадрат и т.д.). При этом нужно иметь в виду, что на каждом фотошаблоне (маске), кроме первого и последнего, должны быть две фигуры совмещения, распо­ложенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей операцией, большая - с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, на послед­нем - только меньшая.

4. Навесные элементы необходимо изображать с соблюдением по­рядка расположения выводов, которые соответствуют цоколевке.

5. После того как выбрана топология, изготавливают чертежи слоев микросхемы по элементам (резисторы, проводники и контактные площадки, нижние обкладки конденсаторов, диэлектрики и т.д.).

Эти чертежи - основа для изготовления комплекта фотошаблонов и масок.

4.2. Активные элементы в ГИС

Для ГИС в качестве активных элементов применяются бескорпус­ные диоды и транзисторы [1]. Выбор того или иного типа прибора оп­ределяется технологическими возможностями производства, обеспечивающими установку, крепление и присоединение выводов прибора на плате ГИС, а также рядом параметров и критериев, характеризующих работу прибора в конкретной схеме.

4.3. Пассивные элементы

Варианты конструкции тонкопленочных резисторов

По сравнению с ДР тонкопленочные резисторы (ТПР) обладают более высокими значениями удельного поверхностного сопротивления и более низким температурным коэффициентом сопротивления.

Некоторые разновидности конструкций ТПР приведены на рис.12, а, б, в, г. Наиболее распространенной формой ТПР является прямоугольная форма, как самая простая по технологическому исполнению. ТIIP могут быть изготовлены масочным методом, с помощью фотолито­графии или смешанным (масочным и фотолитография).

Рис.12

Одним из основных параметров, характеризующих ТПР, является коэффициент формы К_ф = l/b и в зависимости от его значения выби­рают конфигурацию резистора. Коэффициент формы ТПР простой прямо­угольной формы (рис.12,а), изготавливаемого по масочной техноло­гии, должен находиться в пределах 0,5 ≤ К_ф < 10. Нижний предел этого неравенства связан с возможностью возникновения значительных погрешностей сопротивления при К_ф < 0,5 вследствие погреш­ностей совмещения масок для резистивных и проводниковых пленок (контактных площадок). Верхний предел неравенства ограничен необходимостью сохранения жесткости маски. Резисторам с К_ф > 10 це­лесообразно придавать форму “меандра” или „змейки” (рис.12, в, г). Применение фотолитографии при изготовлении ТПР позволяет расши­рить указанные пределы, однако и в этом случае верхний предел коэффициента формы рекомендуется ограничить К_ф ≤ 50, поскольку слишком длинные прямолинейные резисторы в дальнейшем создают неудобства при разработке топологии ИМС. Верхний предел К_ф ТПР с металлическими перемычками (рис.12,б) практически неограничен.

Конструкции ТПP типа ”меандр” с прямоугольными или криволиней­ными звеньями имеют конструктивно-технологические ограничения на размеры a_min и b_max. Например, при нанесении резистивного слоя через маски размер a_min определяется минимально возможным рассто­янием между двумя щелями в маске, которое равно 2 Н, где Н -толщина маски. Размер b_max ограничен необходимой жесткостью мас­ки. Обычно должно выдерживаться соотношение b_max / a_min≈10. В конструкциях резисторов с металлическими перемычками допускается b_max / a_min≈50, так как резистивные слои и перемычки формируют­ся раздельно.

Методика расчета тонкопленочного резистора

Исходными данными для расчета пленочных резисторов являются номинальное значение сопротивления R с допустимой относитель­ной погрешностью γ_R ; значение рассеиваемой мощности Р ; мак­симальная рабочая температура Т_max; срок службы t ; основные технологические и конструктивные ограничения. Порядок расчета ТПP следующий.

1. Определить оптимальное значение удельного поверхносткого сопротивления

, (7)

где n - число резисторов; R_i- номинал i-го резистора.

2. Выбрать материал резистивной пленки с удельным поверхност­ным сопротивлением R_Sopt по табл.4. Если при расчете ρ_s оказы­вается, что

К_ф > 50, то целесообразно резисторы разбить на две группы (с большими и малыми сопротивлениями) и для каждой из них определить соответствующее значение о по выражению (7). В этом случае используется два различных материала.

Таблица 4

Материал	ρs,Ом/кв	R,Ом	Р0,Вт/см2	αR·104,(С˚)-1	γRст,%
Хром	50÷500	50÷3·104	1	(0,6÷1,8)	2
Тантал	25÷100	50÷105	3	(-2,0)	1
Рений	250÷104	-	3	(-1,0)	1
Титан	100÷2·103	-	3	(-11÷+30)	-
Нихром (20%Cr 80%Ni)	25÷300	1÷5·104	2	±1,0	1
Нитрид тантала	50÷500	-	3	1.0	0,2
Сплав МЛТ-3М	100÷2·103	50÷5·104	2	0,6	±0,5
Кермет К-20С	(1÷3)·103	(0,3÷1)·107	2	0,5	±1
Кермет К-50С	(3÷10)·103	500÷107	2	(-5÷+3)	±1
Сплав РС-3001	800÷3·103	100÷105	2,-5	-0,2	0,5
Сплав PC-3710	50÷3·103	103÷2·105	2,-5	(-3.0)	0,5