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

Частотный диапазон. Полупроводниковый резистор имеет слож ную многослойную структуру. Каждый слой структуры характеризуется определенным сопротивлением. Между слоями существуют емкости р-л-переходов. При работе резистора в широком диапазоне частот многослойную структуру резистора необходимо рассматривать как /?С-структуру с распределенными параметрами.

На упрощенной электрической схеме полупроводникового резистора, сформированного на основе базового р-слоя (рис. 4.8.11), показан паразитный р-л-р-транзистор, образованный р-слоями резистора и подложки и п-слоем кармана. Для полного запирания паразитного р-л-р-транзистора на изолированную л-область (карман), выполняющую роль базы этого транзистора, подается самый высокий положительный потенциал микросхемы, как это показано на рис. 4.8.3. По переменному току п-область заземлена, так как сопротивление источника смещения переменному току очень мало. При положительном смещении л-области также уменьшаются паразитные емкости р-л-переходов. Полупроводниковые диффузионные резисторы успешно используются в конструкциях, работающих В диапазоне частот до 1(00 МГц.

§ 4.9. Конденсаторы

В полупроводниковых ИС применяется три конструктивно-технологические разновидности конденсаторов: конденсаторы на основе р-л-переходов; тонкопленочные конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП); тонкопленочные конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-металл (МДМ). В этом параграфе рассмотрим конструкции и свойства только первых двух типов, так как конденсаторы со структурой МДМ подобны тонкопленочным конденсаторам ГИС. Конденсаторы характеризуются значением и допустимым разбросом емкости, рабочим напряжением, температурным коэффициентом емкости, добротностью и коэффициентом нелинейности емкости.

Удельная емкость конденсаторов полупроводниковых ИС в зависимости от конструктивно-технологического исполнения находится в пределах 50... 5000 пФ/мм. В таких И С используют конденсаторы сравнительно небольшой емкости (десятки-тысячи пико-фарад), которая ограничивается площадью поверхности кристалла и дефектностью тонких диэлектрических пленок. Обычно 1 мм, следовательно, Стах~5000 пФ.

Для большинства конструкций конденсаторов полупроводниковых ИС характерна низкая добротность (Qc 10), что обусловлено достаточно большим сопротивлением эквивалентных обкладок конденсаторов. Рассчитать параметры или геометрические размеры конструкции конденсаторов полупроводниковых ИС можно по формулам § 1.2 с учетом особенностей их конструкций, рассмотренных ниже.

Конденсаторы на основе р-л-переходов. Конденсатор может быть сформирован на основе любого р-п-перехода планарной по-

лупроводниковой структуры. Использование конкретного перехода определяется необходимым значением емкости, допустимой разностью потенциалов на переходе и полярностью потенциалов узлов микросхемы, между которыми включается конденсатор. Переход всегда должен находиться в запертом состоянии. При импульсном воздействии амплитуда импульса не должна превышать напряжение смещения перехода. При гармоническом воздействии, как правило, величина амплитуды переменного сигнала должна быть значительно меньше напряжения смещения перехода. В противном случае будет наблюдаться модуляция емкости конденсатора. Формулы для расчета удельной емкости Со (С/) резкого и плавного р-п-переходов приведены в § 4.2.

На рис. 4.9.1, а изображена конструкция наиболее широко применяемого полупроводникового конденсатора на основе коллекторного перехода. Этот конденсатор имеет Со (0) ж 300 пФ/мм и



Рис. 4.9.1. Конструкция (а), эквивалентная схема (б) и зависимость отношения емкостей С1/С2 от положительного потенциала я-области относительно подложки (в) конденсатора на основе коллекторного перехода: / - алюминиевый вывод от верхней обкладки конденсатора; 2 -пленка ЗЮг; 3 -базовая я-область (верхняя обкладка конденсатора); 4 - коллекторная п-область (нижняя обкладка конденсатора); 5 -подложка р-типа; 6 -пленка золота (контакт к подложке); / - алюминиевый вывод от нижней обкладки конденсатора

С/раб~20...30 В. Эквивалентная электрическая схема конденсатора показана на рис. 4.9.1, б. Здесь С\ - емкость, образованная переходом между р-областью (базовая диффузия) и карманом л-типа (эпитаксиальный слой); Са - емкость перехода карман-подложка; R - сопротивление л-области, выполняющей роль нижней обкладки конденсатора. Полупроводниковая р-область, выполняющая роль верхней обкладки конденсатора, металлизирована алюминием, поэтому ее сопротивление достаточно мало. На область базы (точка Ь) паразитного р-л-р-транзистора подается поло-



жительный потенциал как относительно его эмиттера (точка а), так и относительно подложки микросхемы. Переходы этого транзистора заперты и на эквивалентной схеме показаны в виде диодов VD1 и VD2. К выводу конденсатора С1 подсоединен паразитный конденсатор С2, одна из обкладок которого (подложка) заземлена. Конденсаторы С1 и С2 образуют емкостной делитель. Для уменьшения шунтирующего воздействия емкости Сг желательно выбором напряжения смещения увеличивать отношение С1/С2 (см. рис. 4.9.1, в).

Рассмотрим эквивалентную схему конденсатора на основе эмиттерного перехода (рис. 4.9.2). Здесь Cj - емкость конденсатора; Сг, Сз - паразитные емкости переходов; R - сопротивление


у /у /)< /7777л

Слой р-типа

Олви п-типа

6>

Рис. 4,9,2. Структура (а) и эквивалентная схема (б) конденсатора на основе

эмиттерного перехода:

/-алюминиевый вывод верхней обкладки; 2 -эмиттерная п+-область (верхняя обкладка конденсатора); 3 - базовая р-область (нижняя обкладка конденсатора); 4 - алюминиевый вывод от нижней обкладки; 5 - пленка SiOj; 6 - коллекторная п-область (карман); 7 -подложка р-типа; 3 - пленка золота - контакт к подложке

потерь, определяемое в основном сопротивлением базового р-слоя, так как эмиттерный п+-слой металлизирован; YD - диод п-р-пе-рехода; VT - паразитный р--л-р-транзистор. При изолированной п-области полная паразитная емкость конденсатора равна СгСзЦСг + Сз). Если на п-область подать положительный потенциал, полностью запирающий паразитный р-п-р-транзистор, то паразитная емкость конденсатора увеличивается до Сг при напряжении обратного смещения.

Конденсатор на основе эмиттерного перехода характеризуется максимальной удельной емкостью Со (0) 1000... 1500 пФ/мм. Однако он имеет небольшое пробивное напряжение С/проб ~ 7 В. При низких рабочих напряжениях (6раб<5 В) применяется также параллельное соединение конденсаторов, ссормированных на основе эмиттерного и коллекторного переходов.

Конденсатор на основе перехода коллектор-подложка (рис. 4.9.3) может применяться только в том случае, если исходя из условий его работы в микросхеме нижняя обкладка, роль которой выполняет р-подложка, должна быть заземлена по переменному току. Конденсатор на основе перехода п-карман-подложка харак-

теризуется минимальной удельной емкостью Со(0) «;200 пФ/мм и максимальным пробивным напряжением [/проб>"100 В. При применении скрытого П+-СЛОЯ удельная емкость возрастает приблизительно в 1,5 раза.


Рис, 4.9.3. Структура (а) и эквивалентная схема (б) конденсатора на основе перехода коллектор - подложка:

/ - алюминиевый вывод от верхней обкладки; 2 - п+-область для омического контакта и уменьшения сопротивления верхней обкладки; 3 - п-область (верхняя обкладка конденсатора); •< -скрытый П+-СЛ0Й; 5-пленка SiOs; 6 - подложка р-типа (нижняя обкладка конденсатора); 7 - пленка золота - контакт к подложке

Температурная нестабильность емкости конденсаторов на основе р-п-переходов в основном определяется нестабильностью диэлектрической проницаемости полупроводникового материала еп и контактной разности потенциалов фк- Площадь обкладок слабо зависит от температуры вследствие малого коэффициента линейного расширения полупроводникового материала а; (для кремния а;=«4-10-в °С-),

Из формул (4,2,31) -(4.2.33) следует: для резкого перехода

для плавного перехода

I дС

ас=--- »

С дТ

2ае„-

Фк-1- и

a<p,

где ag«-f (150... 200) 10-6 <>q-\ температурный

(4.9.2) коэффициент

диэлектрической проницаемости полупроводника; ар«; -(3000...

...4000)40-6 °С- - температурный коэффициент контактной разности потенциалов.

В выражениях (4.9.1), (4.9.2) коэффициент при а зависит

от напряжения смещения U. При увеличении напряжения смещения уменьшается составляющая ас, обусловленная а.

Тонкопленочные конденсаторы со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Конденсаторы с МДП-структурой находят наиболее широкое применение в полупроводниковых ИС. Они неполярны, имеют достаточно высокое напряжение пробоя и технологию, легко совместимую с технологией изготовления остальных элементов полупроводниковых ИС. В тонкопленочном



конденсаторе с МДП-структурой (рис. 4.9.4, а) в качестве диэлектрика наиболее широко используется тонкая пленка SiOa (4). Верхняя алюминиевая обкладка (/) формируется одновременно с коммутационными троводниками -микросхем. В качестве второй (нижней) обкладки конденсатора используют сильнолегирован-


а о-

"4IVM : =,

бг

0,/Сг


S 10 (/ь,а

Рис. 4.9.4. Конструкция (а), эквивалентная схема (б) и зависимость отношения емкостей С1/С2 от положительного потенциала и-области относительно подложки (е) конденсатора со структурой МДП

/ - верхняя обкладка; 2 -вывод нижней обкладки; 3 - толстый окисел; 4 - тонкий окисел (диэлектрик конденсатора); 5 - п+-слой (нижняя обкладка конденсатора); S - изолированная п-область; 7 - подложка р-тнпа

ный Л+-СЛОЙ (5), формируемый одновременно с эмиттерами транзисторов. Сильнолегированный л+-слой обеспечивает невысокое сопротивление потерь (3... 5 Ом) и независимость емкости конденсатора от постоянного напряжения смещения. При высоком уровне легирования полупроводника, граничащего с пленкой ЗЮг, электрическое поле, обусловленное напряжением смещения, практически не проникает в его объем. Минимальная толщина диэлектрика ~50 нм. Она ограничивается технологическими возможностями получения высококачественной пленки. Наиболее часто, чтобы повысить надежность и выход годных микросхем, используют пленки толщиной 80... 120 нм.

Разброс емкости конденсаторов со структурой МДП в процессе производства определяется в основном точностью формирования толщины окисной пленки, а температурная нестабильность емкости - температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости этой пленки. Отклонения линейных размеров элементов конструкции конденсатора, обусловленные изменениями температуры, незначительны, так как кремний и окисел кремния имеют малый температурный коэффициент линейного расширения, а металлическая обкладка Жестко сцеплена с подложкой.

Типовые значения параметров тонкопленочных конденсаторов с МДП-структурой при использовании в качестве диэлектриков

Si02 и Sh4 приведены в табл. 4.9.1. Применение нитрида кремния позволяет повысить в 2-3 раза удельную емкость конденсатора, однако при этом усложняется технология изготовления микросхем.

Таблица 4.9.1 Параметры тоикоплеиочиых коиденсаторов с МДП-структурой

Параметры

Диэлек1Т)нк

SiOz

SI3N4

Удельная емкость, пФ/мм

Относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Напряжение пробоя £/проб, В

Разброс емкости конденсатора, %

Разброс отношения емкостей конденсаторов, %

Температурный коэффициент, °С-*

Добротность Q (при 10 МГц)

400 . . .600 2,7 . . .4,2

+ 15-10-6 25 . . .80

800 . . .1600

3,5 . . .9

50 20 3

4- (4...10)10-6 20 . . .100

Чтобы обеспечить нормальную работу конденсатора, на л-область структуры следует подавать положительный потенциал относительно подложки, запирающий переход л-карман-подложка (рис. 4.9.4, б). Влияние паразитной емкости перехода л-карман- подложка уменьшается с увеличением положительного напряжения смещения на л-области (рис. 4.9.4, в).

§ 4.10. Коммутация элементов микросхем. Конструкции выводов

Коммутационные шины и контактные площадки. В полупроводниковых ИС электрические связи элементов, определяемые принципиальной схемой, осуществляются с помощью пленочных проводников и полупроводниковых шин. Пленочные проводники изолируются от объема полупроводникового кристалла пленкой Si02.

К коммутационным проводникам микросхемы предъявляется ряд требований исходя из условий обеспечения качественного электрического соединения элементов и высокой надежности конструкции при эксплуатации и длительном хранении: высокая проводимость (pvl0~® Ом-см); низкоомный омический контакт с кремнием л- и р-типов; хорошая адгезия к кремнию, двуокиси кремния и другим диэлектрическим материалам, используемым в системах многослойной металлизации; химическая инертность по отношению к диэлектрическим материалам; невозможность образования вредных интерметаллических соединений или возникновения реакций, воздействующих на кремний и соответственно на элементы конструкции в процессе изготовления и эксплуатации микросхемы; технологичность методов осаждения и нанесения рисунка; устойчивость к электродиффузии металла.

В качестве материала проводников наиболее широко применяется алюминий, удовлетворяющий большинству указанных требо-





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