Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

поверхностям резистора. Сопротивление основной области Ri определяется по формуле

Ri = Ра lib = Ра Кф. (4.8.1)

В двух приконтактных областях электрическое поле имеет объемный характер (поле трехмерное). Сопротивление приконтактной области ок зависит от удельного сопротивления материала резистивного слоя р и соотношения между геометрическими размерами металлического контакта и приконтактной области резистивно-


ff) -wr-,--

Рис. 4.8.4. Примеры топологии полупроводниковых резисторов

го слоя. Для характеристики этого соотношения вводится коэффициент формы приконтактной области резистора Кфк. Сопротивление резистора определяется по формуле

R = Rl + 2RoR=poiKф+2 Кфк). (4.8.2)

Топология низкоомных резисторов (десятки ом) изображена на рис. 4.9.4, а. Эти резисторы имеют малое отношение 1/Ь. Размеры контакта выбираются такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной

области резистора. Для определения коэффициента формы приконтактной области низкоомных резисторов используются графики, показанные на рис. 4.8.5. При проектировании резисторов с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом используется топология, изображенная на

рис. 4.8.4, б. Длина приконтактной обла-

ij/i сти равна ширине резистора Ь. Для квадратного контакта со сторонами 0,5 ко-Рис. 4.8.5. Граф1жи для on- эффициент формы фк»0,33. Топология,

велеяения ко.эАгЬипир.нтшг v

Л/у о,ъъъ

2 и

ГрмыТ,„ ГргнтТкТных показанная-на рис. 4.8.4, в, характерна областей ДЛЯ ВЫСОКООМНЫХ резисторов (десятки

килоом), в которых для увеличения коэффициента формы используется малая ширина резистивного слоя Ь {Кф = 1/Ь). Приконтакт-ные области имеют расширенный объем для уменьшения Rok и возможности создания металлического контакта минимальных размеров, определяемых предельными возможностями технологии. При квадратной форме приконтактной области и металлического контакта с размерами, показанными на рис. 4.8.4, в, /(фкяк0,65.

Высокоомные резисторы обычно имеют сложную форму (рис. 4.8.4, г), что определяется необходимостью обеспечить большое отношение 1/Ь при малой площади, занимаемой резистором на поверхности кристалла (топология в виде «змейки»), или особенностями топологии всей микросхемы (максимальное использование свободной площади кристалла). Резистор сложной формы разбивается на прямоугольные участки длиной li, /г, k и квадраты на изгибах. Коэффициент формы квадрата изгиба ДфизЯ0,55. Полное сопротивление резистора - fe.

RPrj

где Сф,; - коэффициент формы прямоугольных участков; кц-1 - количество изгибов.

• Методику расчета сопротивления квадрата неоднородного полупроводникового слоя заданной толщины рассмотрим на примере диффузионного базового слоя. На рис. 4.8.6 показано сечение резистивного слоя длиной I и распределение концентрации атомов примесей по толщине резистивного слоя. Толщи-

V Кф + 0,55{кп-1) + 2Кфк

(4.8.3)


Рис. 4.8.6. Поперечный разрез диффузионного Слоя (а) и распределение концентрации атомов примесей по его глубине (б)

на резистивного слоя при отсутствии эмиттерной диффузии определяется глубиной залегания коллекторного перехода Хко- Эмиттерная диффузия ограничивает толщину резистивного слоя до размера dpxko-хза- Методика расчета сопротивления слоя неоднородного полупроводника состоит в следующем. Неоднородный полупроводниковый слой разделяется на очень тонкие слои, которые можно считать однородными; определяется проводимость каждого тонкого слоя и полная проводимость резистивного слоя суммированием проводнмо-стей отдельных тонких слоев. Сопротивление резистивного слоя равно обратной величине полной проводимости. При определении проводимости тонкого слоя учитывается зависимость подвижности от общей концентрации атомов легирующих примесей N*(x)=Nя6(x)-{NJк.



Выделив тонкий слой Ах в сечении резистивного слоя х (см. рис. 4.8.6,а),. запишем выражение для проводимости этого слоя

Аа{х)=дцр(х)М{х) {Ь/1)Ах, (4.8.4>

где Ы(х)=Ыцб(х)-Лдк - концентрация нескомпеисироваииой акцепторной примеси, определяющая концентрацию носителей тока; b - ширина резистивного. слоя.

Проводимость и сопротивление резистивного слоя толщиной дско-х, равны соответственно

0 = -J qHp(x)N{x)dx;

•*ко b

jjqUpix) N(x)dx

Представим выражение для сопротивления R в виде

R =

(x - Xi) b Приравняв (4.8.6) и (4.8.7), получим

J qV-p(x)N{xydx

Pn =

J qv.p{x)Nix)dx:

{Xm- Xi)

(4.8.5>

(4.8.6>

(4.S.7>

(4.8.8)

(4.8.9)

(4.8.10)

Положив в (4.8.9) Х1=Хз, получим сопротивление квадрата pesHCTHBHoro слоя, ограниченного эмиттерной диффузией. При Xi=Q выражение (4.8.9) дает сопротивление квадрата базового слоя.

В качестве примера иа рис. 4.8.7 представлены графики для расчета средней удельной проводимости диффузионных слоев, полученных с помощьк> ЭВМ. Расчет произведен для распределения акцепторной примеси по закону Гаусса в материале я-типа с двумя значениями концентрации донорной при-


Рис. 4.8.7. Графики для расчета средней удельной проводимости диффузиониы.\ резисторов

меси ЛГд = 105 см-з и 10" см-. По оси ординат отложены значения поверхио-стийй концентрации акцепторной примеси iVa6(0)=iV,.

Пример. Рассчитать сопротивление квадрата резисториого слоя при следующих данных: Лаб(02=5.10» см-з, ЛГд„=105 см-, л:„о=3 мкм, л:(=0. По рис. 4.8.7,а определяем 0г = 15 Ом--см-. Из (4.8.10) следует

Рп = -

15(3.10-4)

?220Ом/п.

V (хко - xi)

Допуск. Точность воспроизведения значения сопротивления полупроводникового резистора определяется следующими факторами: точностью изготовления фотошаблона и фоторезистивной маски; точностью процесса травления, при котором формируется окно в защитном слое окисла с заданным отношением длины к ширине; точностью дозирования и распределения атомов примесей в процессе легирования полупроводника диффузией или ионной имплантацией.

Влияние технологических операций на точность воспроизведения сопротивления и отношение сопротивлений диффузионных резисторов иллюстрируется данными табл. 4.8.1. Из данных табли-

Таблица 4.8.1

Влияние технологических операций иа точность диффузионных резисторов

Операции

Изготовление фотошаблона и маскирование

Травление при изготовлении защитной маски

Диффузия примесей

Весь технологический процесс

±10

±3

цы видно, что основная погрешность вносится на стадии диффузии примесей, так как довольно трудно осуществлять контроль количества введенной примеси и глубины залегания р-/г-перехода. Отношение сопротивлений двух резисторов воспроизводится с достаточно высокой точностью, так как резистивные слои формируются одновременно. Эта особенность широко используется при проектировании электрической схемы микросхемы. Разработчики схемы стремятся ее выполнить так, чтобы выходной параметр микросхемы определялся отношением сопротивлений диффузионных резисторов.

При ионной имплантации возможен достаточно точный контроль интенсивности пучка и дозы внедряемых ионов. Сопротивление резистора, сформированного методом ионной имплантации, может быть воспроизведено с точностью не более ±5%-



Температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Температурная нестабильность сопротивления полупроводникового резистора обусловлена в основном достаточно сильной зависимостью от температуры электрофизических параметров полупроводникового материала. Отношение длины к ширине резистора практически не зависит от температуры.

При работе резистора в широком диапазоне температур возможно изменение концентрации и подвижности носителей тока. В диапазоне рабочих температур (-60...-Ы25°С), характерном для большинства микросхем, зависимость проводимости полупроводникового материала от температуры обусловлена в основном


50 100 150 Т°С а)

50 100 750 T°G

Рис. 4.8.8. Зависимость подвижности электронов (а) и дырок (6) от температуры и концентрации атомов примесей

225 Ъ1Ъ iZ3 Т,Н

ггз 323 из т,и



-50 о 50 700 т ZQ

-so о 50 700 то 1,-0

Рис. 4.8.9. Зависимость проводимости электронного (а) и дырочного (б) кремния от температуры при различной степени легирования

температурной нестабильностью подвижности (рис. 4.8.8 и 4.8.9). На рис. 4.8.10 для примера показано влияние степени легирования на температурную стабильность сопротивления диффузионного резистора. ТКС резисторов, сформированных на основе базового слоя р-типа, порядка -f (2000... 3000) "С"". Резисторы, сформированные ионным легированием, при pj-j «1... 5 кОм/П имеют ТКС ±500-10-* °С-1, что в 4...5 раз меньше ТКС диффузионных резисторов на основе базового р-слоя. Это обусловлено тем, что высокое значение р достигается за счет очень тонкого резистивного слоя (0,1... 0,4 мкм) с достаточно высоким уровнем легирования (Ла тах> Ю СМ) .

Отношение сопротивлений полупроводниковых резисторов, сформированных в одном технологическом процессе, характеризуется высокой температурной стабильностью. Это позволяет создавать высокостабильные ИС, если выходной параметр микросхемы определяется отношением сопротивлений.

Мощность. Мощность резистора ограничивается допустимым значением напряжения на резисторе и допустимой темпе- зоо ратурой перегрева резистора по отноше- „. нию к температуре окружающей среды, в которой находится микросхема. Допустимое напряжение ограничено напряжением пробоя р-«-перехода, с помощью которого осуществляется изоляция резистора. р„е, 4,8.10. Зависимость со-Для эмиттерного перехода это напряже- противления диффузионных ние составляет 6...7 В, для «оллекторно- резисторов от температуры го - 25...55 В.

Температура перегрева резисторов зависит от удельной рассеиваемой мощности Po-P/Sr, где Р - мощность резистора; Sr - площадь резистора. Полупроводниковые резисторы формируются в среде с достаточно высокой теплопроводностью (для кремния коэффициент теплопроводности ЯкрЯ120 Вт/(м2.К)), поэтому нормальный тепловой режим резисторов обеспечивается при достаточно большой удельной рассеиваемой мощности (PolOOO... ...4000 мВт/мм2).



Q Диффузмииыи слои р-типо

]-о+йп Злитачсиотлш слои л-munff

]-0/7 Подложма р-типа

Рис. 4.8.11. Упрощенная электрическая схема полупроводникового резистора, сформированного на основе базового р-слоя





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47