МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ
ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ
Учебно-методическое пособие
Составители: <...> В полупроводниковых микросхемах процесс производства пассивных
элементов является более дорогостоящим, чем активных. <...> Площади пассивных элементов полупроводниковых микросхем обычно превышают площади активных элементов. <...> Для пассивных элементов полупроводниковых микросхем характерен
значительный дрейф и невоспроизводимость номинальных значений. <...> Однако они обладают и некоторыми достоинствами, основным из которых является совместимость с технологическим процессом изготовления активных
элементов микросхем. <...> Основные характеристики интегральных резисторов
В зависимости от структуры и технологии производства интегральные
резисторы можно разделить на следующие группы: диффузионные, ионнолегированные и эпитаксиальные. <...> Диффузионные и эпитаксиальные резисторы изготавливаются одновременно с активными элементами в процессе
формирования базовой, эмиттерной или коллекторной областей транзистора. <...> Наибольшее распространение получили диффузионные резисторы, создаваемые в ходе базовой диффузии (рис. <...> Конструкции эпитаксиально-планарного (а) и изопланарного (б)
резисторов на основе базовой диффузии
Это связано с тем, что изолированные участки эпитаксиального n-слоя
на кристалле ИМС, предназначенные для формирования в них резисторов,
обычно подключаются к положительному полюсу источника питания, а
подложка p-типа – к отрицательному или «земле». <...> Разброс сопротивлений резисторов, полученных базовой диффузией,
относительно расчетного номинала составляет ±10 % и более. <...> Однако часто
в ИМС более важной характеристикой является разброс отношений сопротивлений однотипных резисторов, расположенных на одном <...>
Конструирование_и_расчет_пассивных_элементов_полупроводниковых_микросхем.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ
ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОСХЕМ
Учебно-методическое пособие
Составители:
Ю. И. Дикарев,
Л. Н. Владимирова,
В. М. Рубинштейн
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2011
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ................................................................................................................. 4
1. Интегральные резисторы .................................................................................. 5
1.1. Основные характеристики интегральных резисторов .......................... 5
1.2. Топология интегральных резисторов ..................................................... 9
1.3. Особенности расчета диффузионных резисторов ............................... 10
1.4. Примеры расчета интегральных резисторов ........................................ 12
2. Конденсаторы ИМС ........................................................................................ 18
2.1. Диффузионные конденсаторы ............................................................... 18
2.2. МДМ конденсаторы ................................................................................ 24
2.3. Расчет диффузионных конденсаторов .................................................. 26
2.4. Пример расчета диффузионного конденсатора ................................... 28
3. Контрольные вопросы и задания ................................................................... 30
4. Литература ....................................................................................................... 34
3
Стр.3
зией, разброс этого отношения при b ≥ 25 мкм обычно лежит в пределах
±0,5 %. Когда ширина резистора уменьшается до 7 мкм, разброс отношений
сопротивлений увеличивается до 2 %. С увеличением проектного отношения
сопротивлений возрастает и разброс отношений. Так, если при отношении
номиналов 1 : 1 разброс отношений составляет ±0,5 %, то при отношении
номиналов 5 : 1 – 1,5 %.
Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное
сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-nпереходом.
Оно определяется геометрическими размерами диффузионной
области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое,
в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением
Rs. Значение Rs зависит от технологических режимов диффузии и
для базовой области составляет 100–300 Ом/□. На основе базового диффузионного
слоя можно получить резисторы с номиналами сопротивления от
100 Ом до 60 кОм.
При необходимости создания в ИМС резисторов с R > 60 кОм используют
пинч-резисторы. Структура пинч-резистора, сформированного в базовом
диффузионном слое р-типа, показана на рис. 2.
Рис. 2. Конструкция пинч-резистора
Такой резистор по R превосходит все другие типы диффузионных резисторов,
но имеет очень большой разброс сопротивлений из-за совместного
влияния погрешностей эмиттерной (п+) и базовой (р+) диффузий.
Резистор представляет собой тонкий канал р-типа, изолированный со
всех сторон обратносмещенным p-n-переходом, так как эмиттерный слой
n+-типа за пределами резистора соединяется с эпитаксиальным n-слоем. Для
изготовления пинч-резистора используется донная слаболегированная часть
р-слоя с Rs = 5÷10 кОм/□ и более. Максимальное сопротивление таких резисторов
может составлять 200–300 кОм и более даже при простейшей полосковой
конфигурации. Однако следует учитывать, что из-за эффекта модуляции
канала пинч-резисторы имеют линейный участок ВАХ только до 1–1,5 В.
6
Стр.6
Если номинальное сопротивление диффузионного резистора не превышает
100 Ом, то использование базового слоя для его изготовления нецелесообразно.
Для получения резисторов с малыми номиналами используют
низкоомный эмиттерный слой (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция резистора на основе эмиттерного диффузионного слоя
Для получения высокоомных резисторов ИМС используются и эпитаксиальные
коллекторные слои (рис. 4). Из всех областей транзистора коллекторная
имеет максимальное Rs(1–10 кОм/□). Эпитаксиальный слой легирован
однородно по толщине, поэтому проводимость эпитаксиального резистора,
в отличие от диффузионного, постоянна по всему сечению. Однако
следует учитывать, что эпитаксиальный резистор формируется самой продолжительной
диффузией (разделительной) и разброс номиналов сопротивлений
таких резисторов из-за невоспроизводимости боковой и прямой диффузий
значителен. Кроме этого, разброс обусловлен и колебаниями толщины
и уровня легирования эпитаксиальных слоев.
Поскольку коллекторная область слабо легирована, эпитаксиальные резисторы
имеют высокое пробивное напряжение (более 100 В) и большой ТКС.
Еще большее Rs (2÷20 кОм/□) можно получить в эпитаксиальном пинчрезисторе,
в котором поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового
слоя. Пробивное напряжение таких резисторов определяется Uпроб
перехода база-коллектор (40÷50 В).
Рис. 4. Конструкция эпитаксиального резистора
В последнее время все большее распространение получают ионнолегированные
резисторы (рис. 5). Такие резисторы обеспечивают сочетание
высокого Rs и сравнительно малого разброса сопротивлений. Так как
глубина имплантированных слоев составляет 0,1–0,3 мкм, и ионная имплантация
позволяет получить малую концентрацию легирующей примеси
в слое, то при соответствующем выборе дозы легирования и параметров
7
Стр.7
отжига можно получить Rs = 0.5÷20 кОм/□ в резисторах со структурой
рис. 5а и Rs = 0.5÷1 кОм/□ в резисторах со структурой рис. 5б. Могут быть
достигнуты номиналы сопротивлений в десятки МОм.
Рис. 5. Конструкция ионно-легированных резисторов
Поскольку толщина имплантированного слоя мала, к нему трудно получить
надежные омические контакты. Поэтому на краях резисторного слоя на
этапе базовой или эмиттерной диффузии получают р (рис. 5а) или п+ (рис. 5б)
области, к которым омический контакт осуществляется обычным образом.
В таблице 1 приведены основные характеристики интегральных резисторов.
Видно, что ТКС интегральных резисторов довольно высок. Этот
факт, а также низкая воспроизводимость номинала являются основными
недостатками таких резисторов. К их недостаткам также относится и зависимость
номинального сопротивления от величины приложенного напряжения,
которое может модулировать толщину резистивного слоя вследствие
полевого эффекта.
Таблица 1
Тип резистора
Характеристики интегральных резисторов
R·103,
Толщина
слоя, мкм
Диф. резистор на основе
базовой области
Диф. Резистор на основе
эмитт. области
Пинч-резистор
(базовый)
Эпитаксиальный
Пинч-эпитакс.
Rs,
Ом/□
2,5–3,5 100–300
1,5–2,5
2–5
0,5–1 (5–10) · 103
(1–10) · 103
7–10
3,5–6
Ионно-легиров. 0,1–0,2
8
1/градус
1–3
0,1
3–5
(2–20) · 103 4 50
(0,5–20) · 103
3,5–5
0,2–1
30
6
Разброс, %
R
10
10
40
Oтн.
R(1 : 1)
1
1
6
5
10
2
Стр.8