Резисторы

Полупроводниковая ИС - это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки (рис.3). Эти ИС составляют основу современной микроэлектроники.

Рис.4. Структура элементов пленочной ИС: 1- верхняя обкладка; 2- нижняя обкладка; 3- диэлектрик; 4- соединительная металлическая полоска.

Пленочная ИС -- это микросхема, элементы которой выполнены в виде разного рода пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (рис.4). В зависимости от способа нанесения пленок и связанной с этим их толщиной различают тонкопленочные ИC (толщина пленок до 1 - 2 мкм) и толстопленочные ИС (толщина пленок от 10 - 20 мкм и выше).

Поскольку до сих пор никакая комбинация напыленных пленок не позволяет получить активные элементы типа транзисторов, пленочные ИС содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. п.). Поэтому функции, выполняемые чисто пленочными ИС, крайне ограничены. Чтобы преодолеть эти ограничения, пленочную ИС дополняют активными дискретными компонентами, располагая их на той же подложке и соединяя с пленочными элементами (рис.5). Тогда получается смешанная - пленочно-дискретная ИС, которую называют гибридной.

Гибридная ИС (или ГИС) - это микросхема, которая представляет собой комбинацию пленочных пассивных элементов и дискретных активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные компоненты, входящие в состав гибридной ИС, называют навесными, подчеркивая этим их обособленность от основного технологи-ческого цикла получения пленочной части схемы. Помимо диодов и транзисторов, навесными компонентами могут быть и полупроводниковые ИС, т. е. компоненты повышенной функциональной сложности.

Еще один тип «смешанных» ИС, в которых сочетаются полупроводниковые и пленочные интегральные элементы, называют совмещенными.

Рис.5. Структура гибридной ИС: 1- резистор; 2- полоска металлизации; 3- навесной бескорпусный транзистор.

Совмещенная ИС - это микросхема, у которой активные элементы выполнены в приповерхностном слое полупроводникового, кристалла (как у полупроводниковой ИС), а пассивные нанесены в виде пленок на предварительно изолированную поверхность того же кристалла (как у пленочной ИС).

Совмещенные ИС выгодны тогда, когда необходимы высокие но-миналы 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.

Толстопленочные ГИС (обозначим их ТсГИС) изготавливаются весьма просто, на первый взгляд - примитивно. На диэлектрическую пластинку-подложку довольно большой пло-щади (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. 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.

Из приведенного краткого описания следуют 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 конденсато-ров, т. е. прецизионность элементов.

Рис.6. Накладная маска - трафарет для локального нанесения пасты.

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. 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.

2.2. Краткая характеристика полупроводниковых микросхем.

В настоящее время различаю два класса полупроводниковых ИС: биполярные ИС и МДП ИС. 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 слои 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 локально, т.е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями. 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. Отверстия в масках, в частности в окисной пленке, называют окнами.

Полупроводниковые микросхемы характеризуются рядом недостатков. В частности, в полупроводниковом материале трудно получать пассивные элементы с заданными номинальными значениями. Кроме того, они имеют низкую температурную стабильность, что усложняет конструирование схем, и сильные паразит-ные связи между элементами, вызывающие ухудшение качества схем.

Несмотря на отмеченные недостатки, полупроводниковые микросхемы в настоящее время относятся к числу наиболее перспективных изделий микроэлектроники, так как они позволяют создавать надежные малогабаритные и сложные в функциональном отношении схемы. При использовании хорошо отработанных технологических методов изготовления полупроводниковые микросхемы оказываются значительно надежнее и дешевле схем из навесных элементов. Полупроводниковые микросхемы выпускаются промышленностью на основе биполярных и МДП структур.

3. Расчет полупроводниковых резисторов.

3.1. Общие сведения об изготовлении полупроводниковых резисторов.

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); эпитаксиальные (на основе коллекторной области); пинч - резисторы, 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 эмиттерной областей транзистора.

Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с диффузией примесей, в процессе которой создаются базовые или эмиттерные области n-р-n - транзистора. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n - переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением RS. Значение RS является конструктивным параметром резистора; зависящим от технологических факторов (режима диффузии). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении RS, лежит в пределах 4Rs < R < 104 RS. Нижний предел ограничивается сопротивлением контактных областей, которое должно быть значительно меньше сопротивления основной области резистора. В качестве контактиру-ющего металла используется алюминий. Верхний предел ограничивается допустимой площадью, отводимой под резистор. Чаще всего резисторы выполняются на основе базовой области (RS = 100 - 300 Ом/?). В этом случае в качестве резистора используется область р - типа (рис. 7). 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.

Для резисторов с номиналами от 3 до 100 Ом целесообразно использовать эмиттерный диффузионный слой поскольку значение RS эмиттерного слоя невелико (RS= l - 10 Ом/?).

а) б)

Рис.7. Структуры диффузионных резисторов: а - резистор на основе базовой области; б - резистор на основе эмиттерной области.

Пинч-резисторы. При необходимости создания высокоомных резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (канальные, сжатые или закрытые). Пинч - резисторы могут создаваться на основе базового слоя или коллекторного. Резистор представляет собой тонкий канал р -типа, используется донная, слаболегированная часть базовой области с RS = 2 - 5 кОм/?, изолированная со всех сторон обратносме-щенным р-n - переходом, так как эмиттерный слой n+ - типа за пределами резистора соединяется с эпитаксиальным n - слоем изолированной области. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200 - 300 кОм при простейшей полосковой конструкции. Для получения качественного омического контакта используют диффузионные n - области, которые создают на стадии эмиттерной 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.

Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное RS (500--5000 Ом/?). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора постоянна по всему сечению в отличие от диффузионных резисторов. У эпитаксиального резистора поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений диффузионных резисторов, так как эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Поскольку эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления эпитаксиальных резисторов значителен. Эти резисторы имеют большой ТКС, поскольку коллекторная область легирована слабо. Таким образом, если в микросхеме можно использовать некритичные резисторы с высокими номинальными значениями, то их целесообразно формировать на основе эпитаксиального слоя, что позволит сэкономить площадь кристалла.

Ионно-легированные резисторы. Высокоомные резисторы, занимающие малую площадь на кристалле, можно получить, используя метод ионной имплантации. Поверхностное сопротивление резисторов, изготовленных методом ионного легирования, при соответствующем выборе дозы легирования и режиме термообработки может составлять от 500 Ом/? до 20 кОм/?. Абсолютное значение удельного поверхностного сопротивления может выдерживаться с точностью ±6%. Температурные коэффициенты сопротивления резисторов, полученных методом ионного легирования, обычно меньше ТКС диффузионных резисторов. Структура ионно-легированных резисторов такая же, как и диффузионных резисторов, но глубина ионно-легированных слоев составляет 0,1- 0,3 мкм. Создание диффузионных р- или n- областей необходимо для получения качественных омических контактов. Низкий ТКС, высокое удельное сопротивление и хорошая совместимость с другими элементами позволяют использовать ионно-легированные резисторы для изготовления прецизионных аттенюаторов, а также в микромощных микросхемах. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики интегральных резисторов.

3.2. Порядок расчета полупроводниковых резисторов.

Как уже отмечалось, один из способов реализации резистивных элементов в полупроводниковых микросхемах заключается в использовании диффузионных слоев, полученных при формировании базовых или эмиттерных областей транзисторов. Кроме того, применяются эпитаксиальные и ионно-легированные резисторы.

Исходными данными для определения геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются:

а) заданные в принципиальной электрической схеме номинальное значение R и допуск на него yR = ДR/R;

Страницы: 1, 2, 3