Расчет геометрических размеров резисторов и разработка топологии интегральных микросхем

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие номиналы и высокая стабильность сопротивлений и емкостей; эти требования легче обеспечить с помощью пленочных элементов, чем с помощью полупроводниковых.

Во всех типах ИС межсоединения элементов осуществляются с помощью тонких металлических полосок, напыленных или нанесенных на поверхность подложки и в нужных местах контактирующих с соединяемыми элементами. Процесс нанесения этих соединительных полосок называют металлизацией, а сам «рисунок» межсоединений -- металлической разводкой.

Как уже отмечалось, пленочные, а значит, и гибридные ИС в зависимости от технологии изготовления делятся на толсто- и тонкопленочные.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливаются весьма просто, на первый взгляд -- примитивно. На диэлектрическую пластинку-подложку довольно большой площади (несколько квадратных сантиметров) наносят пасты разного состава. Характерная особенность этого метода состоит в том, что пленка сразу приобретает заданную толщину. Проводящие пасты обеспечивают межсоединения элементов, обкладки конденсаторов и выводы к штырькам корпуса; резистивные -- получение резисторов; диэлектрические -- изоляцию между обкладками конденсаторов и общую защиту поверхности готовой ГИС. Каждый слой должен иметь свою конфигурацию, свой рисунок.

Рис. 6. Накладная маска -- трафарет для Рис. 7. Послойное

локального нанесения пасты наращивание тонкой пленки

Поэтому при изготовлении каждого слоя пасту наносят через свою маску -- трафарет -- с отверстиями (окнами) в тех местах, куда должна попасть паста данного слоя (рис 6). После того как пленочная часть ТсГИС закончена, на заранее отведенные «пустые» места или на защитный диэлектрический слой приклеивают навесные компоненты и соединяют их выводы с контактными площадками, предусмотренными в проводящих слоях. Главные особенности ТсГИС:

-- «механический» способ нанесения паст не позволяет делать толщину пленок менее 10--20 мкм (типичные значения 50--100 мкм), отсюда -- названия толстопленочная технология и толстопленочные ГИС;

-- простота технологии обеспечивает ее доступность и низкую стоимость изделий;

-- «механический» способ нанесения пленок не может обеспечить достаточно малых допусков на номиналы резисторов и конденсаторов, т. е. прецизионность элементов.

Тонкопленочные ГИС (обозначим их ТкГИС) изготавливаются по более сложной технологии, чем ТсГИС, причем используется специфическое оборудование, обычно весьма дорогое. Поэтому стоимость ТкГИС выше, чем ТсГИС.

Классическая тонкопленочная технология характерна тем, что пленки осаждаются на подложку из газовой фазы. При этом пленки приобретают свою конечную толщину не сразу (как после нанесения пасты в ТсГИС), а постепенно -- один мономолекулярный слой за другим (рис. 7). Вырастив очередную пленку, меняют химический состав газа и тем самым электрофизические свойства следующей пленки. Таким образом поочередно получают проводящие, резистивные и диэлектрические слои. Конфигурация (рисунок) каждого слоя определяется либо трафаретом, наложенным на подложку (как в случае ТсГИС), либо маской, выращенной на поверхности подобно окисной маске в полупроводниковых ИС.

Для того чтобы атомы или молекулы пара беспрепятственно проходили от источника до подложки, необходимо создать достаточное разрежение атмосферы, т. е. проводить осаждение (нанесение) пленок в замкнутом пространстве (под колпаком), в котором создан вакуум той или иной степени.

Навесные элементы в ТкГИС, как и в ТсГИС, приклеивают на поверхность готовой пленочной части схемы и соединяют с соответствующими контактными площадками элементов.

Особенности ТкГИС, вытекающие из приведенного описания, следующие:

поскольку пленки растут со сравнительно небольшой скоростью, получение пленок толщиной более 1 мкм требует много времени; кроме того, напыленные пленки толщиной более 1--2 мкм легко отслаиваются от подложки; поэтому характерная толщина пленок в ТкГИС составляет не более 0,5--1 мкм, отсюда -- названия тонкопленочная технология и тонкопленочн ы е ГИС;

поскольку пленки растут с небольшой скоростью, можно сравнительно легко регулировать их толщину, обеспечивая малые допуски на номиналы сопротивлений и емкостей, т. е. прецизионность элементов.

Степень интеграции ГИС не может оцениваться так же, как в случае полупроводниковых ИС, поскольку отсутствует «начало отсчета» в виде пленочного активного компонента. Тем не менее существует термин большая ГИС (или БГИС), который означает, что в состав ГИС в качестве навесных компонентов входят не отдельные транзисторы, а целые полупроводниковые ИС, так что функция, выполняемая БГИС, может быть значительно более сложной, чем функция отдельной ИС и даже БИС.

Микросхемы классифицируют по степени интеграции, частотному диапазону, функциональному назначению, конструктивно-технологическому исполнению.

По функциональному признаку микросхемы подразделяются на цифровые, и аналоговые. Цифровые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, цифровые -- для работы в логических устройствах, в частности в ЭВМ. Использование логических схем позволяет различные логические зависимости и решения представить в виде электрических сигналов. В современных цифровых вычислительных машинах информация выражается в помощью двух состояний уровней напряжения и тока: низкого и высокого, что соответствует в двоичной системе символам 0 и 1.

Аналоговые микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. Частным случаем аналоговых микросхем являются микросхемы с линейной характеристикой, так называемые линейные микросхемы.

Степень интеграции микросхем -- показатель степени сложности микросхемы К характеризуется числом содержащихся в ней элементов и компонентов: К=lgN, где К -- коэффициент, округляемый до ближайшего большего целого числа; N -- число элементов и компонентов, входящих в микросхему. По степени интеграции микросхемы подразделяют на:

малые интегральные схемы (МИС) - схемы (1 - 2)-й степени интеграции, содержащие от нескольких до 100 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько видов функциональных аналоговых или логических элементов, например логических элементов И, ИЛИ, НЕ, триггеров, усилителей, фильтров и т. п.;

средние интегральные схемы (СИС)-- схемы (2--3)-й степени интеграции, содержащие от нескольких десятков до 1000 элементов и компонентов, в состав которых входит один или несколько одинаковых функциональных узлов электронных устройств (регистр, счетчик, дешифратор, постоянное запоминающее устройство);

большие интегральные схемы (БИС)-- схемы (3--4)-й степени интеграции, содержащие от нескольких сотен до 10 000 элементов, в состав которых входит одно или несколько функциональных устройств (например, арифметико-логическое устройство, оперативное запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство и др.);

сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) -- схемы (5--7)-й степени интеграции, представляющие собой законченное изделие, способное выполнять функции аппаратуры (например, ЭВМ).

Наибольшей степенью интеграции обладают полупроводниковые микросхемы, затем тонкопленочные и, наконец, толстопленочные. По степени интеграции полупроводниковые микросхемы на биполярных транзисторах уступают интегральным микросхемам на МДП-транзисторах.

2.2 Краткая характеристика полупроводниковых интегральных микросхем

Полупроводниковые ИС. В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП МС. Сочетание биполярных и МДП-транзисторов на одном кристалле является особым случаем.

Технология полупроводниковых ИС обоих классов основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слон с разным типом проводимости и р--n-переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р--n-переходы -- в диодных и транзисторных структурах.

Легирование пластины приходится осуществлять л о к а л ь н о, т. е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями1*. Локальное легирование осуществляется с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках, При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO2, покрывающая поверхность кремниевой пластины. В.этой пленке специальными методами гравируется необходимая совокупность отверстий или, как говорят, необходимый рисунок (рис. 8). Отверстия в масках, в частности и окисной пленке, называют окнами.

Теперь кратко охарактеризуем составные части (элементы) двух основных классов полупроводниковых ИС.

Рис 8, Окисная маска с окнами дли локального легирования

Основным элементом биполярных ИС является п--р--п-транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по возможности, одновременно с этим транзистором, без дополнительных технологических операннй. Так, резисторы изготавливаются одновременно с базовым слоем п--р--транзистора и поэтому имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используются обратносмещенные р--n-переходы, в которых слои соответствуют коллекторному слою п--р--n-транзнстора, и слою р-- базовому.

Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор с индуцированным каналом. Роль резисторов выполняют транзисторы, включенные по схеме двухполюсника, а роль конденсаторов -- МДП-структуры, у которых слой диэлектрика получается одновременно с подзатворным слоем транзистора, а полупроводниковая обкладка -- одновременно со слоями истока и стока.

Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным способом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодействовали через кристалл. Методы изоляции элементов рассматриваются Элементы МДП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как взаимодействие между смежными МДП-транзисторами не имеет места и их можно располагать на минимальном расстоянии друг от друга. В этом одно из главных преимуществ МДП ИС но сравнению с биполярным.

Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивности и тем более трансформаторы. Эго объясняется тем. Чти до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо физические явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивности, что в большинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится использовать в виде навесных компонентов.

Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС лежат в пределах от 1,5 X 1,5 мм до б X 6 мм. Чем больше площадь кристалла, тем боле*' сложную, более многоэлементную ИС можно на нем разместить. При одной н той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.

Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т. е, количеством элементов (чаще всего транзисторов) ни. кристалле. В 1978--1979 гг. максимальная степень интеграции составляла (5--6) * 104 элементов на кристалле. Повышение степени интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполняемых ИС) -- одна из главных тенденций в микроэлектронике.

Кроме степени интеграции, используют еще такой показатель, как плотность упаковки -- количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла, Этот показатель, который характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время составляет до 500--1000 элементов/мм.

3. Расчёт полупроводниковых резисторов

3.1 Общие сведения об изготовлении полупроводниковых резисторов

Интегральные резисторы. В полупроводниковых микросхемах функцию резистора выполняет объем полупроводника, имеющий определенные размеры и конфигурацию, или транзисторная схема (аналог резистора). Интегральные резисторы могут быть разделены на следующие типы в зависимости от структуры: диффузионные (на основе эмиттерной или базовой области); эпитаксийльные (на основе коллекторной области); пинч-резкеторы, а также резисторы, изготовляемые методом ионного легирования. Все интегральные резисторы, кроме последнего из перечисленных типов, изготовляются одновременно с активными элементами микросхем без введения дополнительных этапов обработки. Они создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттеркой областей транзистора.

Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с диффузией примесей, в процессе которой создаются базовые или эмнттерные области п-р-п-транзнстора. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слон, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением R*- Значение Rs является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). Типичные значения сопротивлении диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении R лежит в пределах 4/?6</?< <1()4^. Нижний предел ограничивается сопротивлением контактны* областей, которое должно быть значительно меньше сопротивления основной области резистора. В качестве контактирующего металла используется алюминий. Верхний предел ограничивается допустимой площадью, отводимой под резистор. Чаще всего резисторы выполняются на основе базовой области 100--300 Ом. В этом случае и качестве резистора используется область n-типа (рис 9, а). К слою n-типа прикладывается положительный потенциал, смещающий р-n-переход в обратном направлении. Обратносмещенный переход, обладающий большим сопротивлением, определяет границы диффузионной области и обеспечивает развязку по постоянному току между резистором и подложкой. На основе базового диффузионного слоя можно получать резисторы с номиналами сопротивлений от 100 Ом до 60 кОм.

Рис. 9. Структуры диффузионных резисторов, a -- резистор на основе базовой области; 6 -- резистор на основе эмиттерцой области

Для резисторов с номиналами от 3 до 100 Ом целесообразно использовать эмиттерный диффузионный слой (рис, 10), поскольку значение R% эмиттерного слоя невелико R -- 10 Ом.

Пинч-резисторы. При необходимости создания высокоомных резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резнеторы (канальные, сжатые или закрытые). Пинч-резнсторы могут создаваться на основе базового слоя или коллекторного. представлена конструкция пкнч-резистора на основе базового слоя, ограниченного по тол шиле эмиттерным слоем n+ -типа. Резистор представляет собой тонкий канал р-типа. используется донном, слаболегированная часть базовой области с R,=:2-- 5 кОм/П. изолированная со всех сторон обратносмещенным р-n-переходом, так как эмиттерный слой n-тмпа За пределами резистора соединяется с зпитаксиальным n-слоем изолированной области. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200--300 кОм при простейшей полосковой конструкции. На рис. 5.6, б приведена конструкция пинч-резистора на основе коллекторной области, поперечное сечение которого уменьшено на глубину базового слоя (L, = 4--8 кОм). Для получения качественного омического контакта используют диффузионные n+ -области, которые создают на стадии эмиттернон диффузии, пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части, сопротивление их сильно зависит от температуры вследствие малой степени легирования областей, на основе которых они выполняются.

Страницы: 1, 2, 3