|
Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Резистори і конденсатори в« напівпровідниковому »виконанні. Топологічні рішення і методи розрахунку »
МІНСЬК, 2008
1. Конденсатори
В якості конденсаторів, т. Е. Пасивних елементів полупро-Водніково ІМС, призначених для використання їх .емкос-ти, найчастіше знаходять застосування назад-зміщені р - п-gt переходи Крім того, застосовуються структури типу метал --ді-електрик .-- напівпровідник (МДП) (в тому числі в біполярних мікросхемах). Рідше використовуються структури типу метал - ді-електрик - метал (МДМ).
На малюнку 1.1 зображені структури конденсаторів полупровод-ників мікросхем, а В таблиці 1.1 представлені оріентіровочниезначенія їх параметрів
.
Малюнок 1.1. структури конденсаторів
напівпровідникових мікросхем: а - на основі емітерного р-- п-переходу транзистора; б - на основі колекторного переходу: в - на основі р-n переходу кол-лектор - підкладка; г-на основі парал-лельно включених ємностей емітерного і колекторного р-- n-переходів; д - типу метал - діелектрик - напівпровідник.
Оскільки профіль розподілу концентрації домішок в вертикальних (бічних) площинах пленарних р - n-переходів, отриманих дифузією, значно відрізняється від профілю розподілу в горизонтальній частині р - n -переходів і аналітічес-кий розрахунок його скрутний, В таблиці наводяться орієнтовні -вочние значення параметрів для обох випадків. Повна ємність.
Таблиця 1.1
конденсатора при використанні даних Таблиця розраховується відповідно до співвідношення
(1.1)
де С огор, С Оверта і S гір S верт - питомі ємності і площі гори-зонтальним і вертикальних площин р - «-переходів.
Температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ) конденсатора оп-ределяется виразом
(1.2)
де Т - температура.
Якщо в інтервалі температур (Т 2 - Т 1) зміна ємності (С 2 - С 1) пов'язане зі зміною температури лінійною зависи-мостью, то ТКЕ описується формулою
(1.3)
Для конденсаторів на основі р - переходів при зворотних на-пряжене порядку декількох вольт ТКЕ становить величину а з = (2--5) 10 4 1 / град.
Ємність конденсаторів типу метал - діелектрик - напів-водник розраховується наступним чином. Оскільки повна питома ємність структури типу МДП З про складається з послідовно-тельно включених питомих ємностей діелектрика З Од і простий-ранственного заряду в напівпровіднику З 0П) вона може бути визна-делена згідно співвідношенню:
(1.4)
Питома ємність діелектрика є величиною постійною, визначає максимальну питому ємність всієї структури і розраховується за формулою
(1.5)
Де і - діелектрична проникність і товщина діелект-рической плівки.
Ємність області просторового заряду в поверхневому шарі напівпровідника залежить від прикладеної до МДП-конденсатора напруги.
Якщо знак і величина прикладеної напруги такі, що на поверхні напівпровідника утворюється шар, збагачений ос-основними носіями заряду, повна питома ємність визначає-ся питомою ємністю діелектрика, т. Е. З 0 = С 0я. (Для структури, зображеної на малюнку 1.1, д, це рівність буде виконуватися при додатку до металевого електрода, розташованому над оксидом, досить великого за величиною напруги поклади-ного знака.)
При відповідних знаку і чималій величині при-розкладання напруги в поверхневому шарі напівпровідника під оксидом може утворитися інверсійний шар, т. Е. Шар зі зворотним по відношенню до нейтрального стану напівпровідника провідністю. В умовах сильної інверсії питома ємність просторового заряду З ів постійна і може бути розрахована так само, як ємність p - n переходу.
В умовах, проміжних по відношенню до описаних двох екстремальних випадків, повна питома ємність МДП-конденсатора розраховується відповідно до співвідношення
(1.6)
де N - концентрація домішок в напівпровіднику; U - прикладений-ве напруга.
Розглянута залежність ємності МДП-конденсатора на частотах вище 100 Гц від напруги (вольт-фарадні характерис-тика) ілюструється Малюнок 3.1.2. Як видно з малюнка, при отрица-них напружених на металевому електроді (для полупро-водника р-типу) питома ємність визначається ємністю оксиду, при значних позитивних напругах - ємністю простору-ного заряду інверсійного шару в напівпровіднику, при проме-жуточних значеннях напруги вона змінюється відповідно до співвідношення (1.5).
Малюнок 1.2 Залежність нормалізується-ванною питомої ємності МДП-конденсатора від величини і зна-ка прикладеної напруги.
Орієнтовно структура типу МДП (див. Малюнок 1.1, д) має ванній питомої ємності С 0 = 400 - 600 пФ / мм 2 і пробивним напругою U пр = 10-50 В. ТКЕ становить величину близько а з = 10 -4 1 / град. Конденсатори, як правило, не застосовуються в сучасних логічних ІМС. В аналогових мікросхемах знаходять застосування конденсатори на основі р - «- переходів і іноді - у вигляді структур типів МДП або МДМ. У запам'ятовуючих пристроях (ЗУ) широко використовуються ємності р - n-переходів і МДП-структур.
2. Резистори
Як резисторів, т. Е. Пасивних елементів ІМС, пред-призначених для використання їх електричного опору, застосовуються зазвичай шари напівпровідника, що створюються за допомогою дифузії домішок одночасно з колекторними або базовими областями транзисторів. Області, що створюються разом з емітера-ми транзисторів, застосовуються для цієї мети рідше, так як вони мають дуже малий питомий опір.
При використанні в технологічному процесі виробництва ІМС іонної імплантації домішок резистори можуть створюватися як одночасно з виготовленням областей транзистора, так і незалежно. Крім того, можливе застосування резисторів, напів-чинних шляхом вакуумного напилення на поверхню полупровод-никового кристала тонких плівок металів або сплавів (в цьому випадку мікросхеми називаються сполученими). Останнім ча-ма отримали розвиток резистори з полікристалічного крем-ня, нанесеного на поверхню кристала.
Структури резисторів, одержуваних шляхом дифузії домішок, показані на малюнку 1.1. Там же схематично показано розподіл концентрації домішок в шарах полупровоаднікових структур, про-разующіх резистор.
Якщо мікросхема повинна містити резистори з досить високим опором (порядку декількох десятків кіло і більше), то виготовляються так звані стислі резистори (пинч-резистори). У варіанті пинч-резистора, зображеного на малюнку 1.1, г, в якості резистивного шару використовується базовий, а Еміт-терний шар повністю перекриває резистивную смужку і в напівпровідниковій структурі безпосередньо контактує з кол-лекторним шаром. Сполучені таким чином колекторний і емітерний шари можуть грати роль польових затворів, якщо на них подавати зворотне по відношенню до резистивного шару зміщення. Аналогічну конструкцію має пинч-резистор, в якому резіс-нормативним шаром є колекторна область транзистора (Малюнок 1.3 б) .бОднім з основних параметрів, що характеризують резистор, є опір квадрата площі резистивного шару РКВ. Пояснимо сенс цього параметра, використовуючи відому формулу для розрахунку електричного опору R:
R = pl / (bd) (2.1)
де р - об'ємне питомий опір, Ом-см; l - довжина, см;
bud - розміри поперечного перерізу (ширина і товщина) резистивного шару, см.
Позначимо відношення p / d = p KB, отримавши таким чином зазначений параметр, вимірюваний в Ом / кв. Формула набуде вигляду,
R = p кв l / b (2.2)
Використання параметра питомої опору р кв передбачає, що товщина d тонкого шару або плівки фіксована. Іншими словами, порівняння питомих опорів тонких шарів] плівок може проводитися за цим параметром виключно при фіксованій (але не обов'язково однаковою) їх товщини?
Введемо поняття коефіцієнта форми резистора k ф - 1 / b, з урахуванням якого формула перетвориться до виду
(2.3)
Іншим важливим параметром резистора є температурний коефіцієнт опору (ТКС):
(2.4)
де Т - температура.
Якщо в інтервалі температур (T 2 --T 1) зміна опираючись-ня (R 2 - R 1) пов'язано зі зміною температури лінійною зави-ності, то ТКС описується формулою
(2.5)
Таблиця 2.1
|
|
Nbg
Тип резистора
|
Номінальні значення опору, Ом
|
Похибка,%
|
Питомий опір, р кв, Ом / кв
|
ТКС, 1 / град
|
|
|
емітерний шар
|
2,5-10 3
|
+ 10
|
2-6
|
2 * 10 -3
|
|
|
базовий шар
|
150 - 20 * 10 3
|
+ 10
|
50-250
|
2 * 10 -3
|
|
|
колекторний шар
|
250 - 10 * 10 3
|
+ 10
|
200-300
|
5 * 10 -3
|
|
|
стислі резистори
|
(5 - 500) * 10 3
|
+ 20
|
(2-10) * 10 3
|
5 * 10 -3
|
|
|
Малюнок 2.1 Структури резисторів напівпровідникових мікросхем: а -на основі емітерного шару; 6 -на основі базового шару; в -на основі колекторного шару; г - стислий резистор на основі базового шару; д-- стислий резистор на основі колекторного шару.
Напівпровідникові резистори мають паразитної розбраті-поділеній ємністю, що є їх недоліком. Паразитна їм-кістка може бути охарактеризована коефіцієнтом
(2.6)
де З кв - питома паразитна розподілена ємність квадрата резистивної смужки, пФ / кв; , р кв - опір квадрата резистивної смужки, кому / кв; b - ширина резистора, мкм. :
Значення коефіцієнта Кн для деяких варіантів Резісто-рів наведені У таблиці.
До недоліків напівпровідникових резисторів відносяться так-же порівняно високий ТКС і залежність номінального опору-тивления від величини прикладеного до резистору напруги, яке може модулювати площа поперечного перерізу резистивної смужки внаслідок польового ефекту. Крім того, в Резісто-рах, ізольованих р- n-переходом, може проявлятися паразит-ний транзисторний ефект. Максимально допустима напруга залежить від характеристики шару, що утворює резистор, і визна-ляется пробивним напругою р - л-переходу, що відокремлює резистивний шар від інших областей структури.
Використання іонної імплантації домішок дозволяє підлозі-чати тонкі резистивні шари з високим питомим опором третьому р кв, а також ТКС, слабо змінюється в досить широкому інтервалі температур. Застосовуючи додаткову селективну обробку резистивного шару променем лазера, можна коригувати опір резистора за рахунок зміни профілю Розподіливши-ня домішок в даній частині шару.
Перевагами резисторів, виготовлених нанесенням на по-поверхню кристала ІМС металевих або полікрісталлічес-ких кремнієвих плівок, є незалежність їх опору від величини напруги, поданого на резистор, а також менші паразитні ємності і ТКС в порівнянні з дифузійними або імплантованими резисторами. Металеві і полікремнію-ші резистори також піддаються коригуванню шляхом пропускання через них електричного струму (щільність струму в імпульсі не мен-неї 10 6А / см 2) або обробки променем лазера. Зміна опору-лення при цьому відбувається внаслідок змін кристалічної: структури плівок (розмірів зерен, перерозподілу домішок і т. П.).
Коефіцієнт паразитної ємності резисторів Таблиця 2.2
|
|
Тип резисторів
|
Коефіцієнт К R (пФ / (кОм-мкм 2)) при питомому опорі епітаксіального колекторного шару р
|
|
|
р = 1 Ом-см
|
р = 6 Ом-см
|
р = 10 Ом-см
|
|
|
Базовий шар Стислі резистори на основі:
базового шару колекторного шару
|
1 * 10 -3
2,7 * 10 -5
8 * 10 -5
|
5 * 10-- 4
1,6 * 10 -3
4 * 10 -5
|
4,5 * 10 -4
1,1 * 10 -5
2,8 * 10 -5
|
|
|
Розрахунок дифузійних і імплантованих резисторів заклю-чає в визначенні їх геометричних розмірів з урахуванням профі-ля розподілу домішок в напівпровідникових шарах. Основних зас-ми умовами, прийнятими до уваги при розрахунку, є забезпечення необхідної потужності розсіювання резистора і заданий-ний похибки номінального опору. З одного боку, виходячи з умови заданої потужності рассе-яния Р і допустимої питомої потужності Р про, можна висловити пло-ща, займану резистивним шаром, як S = P / P 0. З іншого боку, площа визначається геометричними розмірами S = = l / b. Оскільки довжина резистивної смужки дорівнює l = bk ф, то пло-ща може бути виражена співвідношенням S = b 2 k ф. Таким обра-зом, мінімальна ширина резистивної смужки, знайдена з ус-ловия розсіюється, визначається виразом
(2.7)
Максимально допустима питома потужність розсіювання со-ставлять Ро = 8 Вт / мм 2 для дифузійних і імплантованих ре-зісторов. Номінальна потужність розсіювання напівпровідников-вих резисторів зазвичай не перевищує 10 мВт.
Вимоги, що пред'являються до допустимої похибки номи-нального значення опору резистора, також обмежують номінальну ширину резистивної смужки. Якщо задана допусти-травня відносна похибка опору резистора уя - = AR / R, яка повинна забезпечуватися в інтервалі робочих темпе-ратура мікросхеми протягом усього періоду експлуатації (в тому числі без електричного навантаження), то розрахунок резистора ведеться з урахуванням ТКС і зміни опору внаслідок процесів ча-ного старіння.
Відносне відхилення опору внаслідок зради-ня температури визначається як
(2.8)
Відносна зміна опору через процеси ста-ренію -улт доцільно враховувати тільки для полікремнієвих і металевих резисторів, оскільки їх плівкова полікрістал-вої структура більш чутлива до впливу навколишнього-щей середовища, ніж монокристалічні шари дифузійних або їм-плантірованних резисторів. Дані про величини y Rc? є емпіричними довідковими параметрами.
Крім того, систематичне відхилення від номінального со-спротиву резистора вноситься опорами контактів. Опір контакту залежить від питомої опору ма-ла резистивного шару і умов розтікання струму в приконтактной області: R конт = р кв k раст, де коефіцієнт розтікання k раст = 0,14 для резистора з топологією, зображеної на малюнку 2.2, а, і К р аст = 0,65 - на малюнку 2.2, б.
Малюнок 2.2. Топологічні конфігурації напівпровідникових різі-сторі: а-- низькоомним резистор; б-- високоомний резистор.
Відносна зміна опору резистора внаслідок наявності двох контактів складе
(2.9)
Беручи до уваги зазначені систематичні відхилення опору резистора від заданого, знайдемо розрахункове значення допустимої відносної похибки:
(2.10)
Отримане значення R розр може бути покладено в основу подальшого розрахунку резистора з урахуванням випадкових відхилень опору, що виникають в процесі виготовлення. Виходячи з формули висловимо відносну технологічну похибкою-ність (середньоквадратичне відхилення при. Нормальному законі статистичного розподілу) наступним чином:
(2.11)
Де,, - відносні і абсолютні СКО відповідних величин.
Вважаючи, що абсолютні середньоквадратичні відхилення гео-метричних розмірів довжини і ширини рівні, т. Е. L ~ b, і з огляду на рівність l = bk ф, перетворимо формулу до вигляду
(2.12)
З останнього співвідношення може бути визначена минималь-ва ширина резистивної смужки:
(2.13)
Для типових технологічних процесів виготовлення напів-провідникових ІМС можна приймати АЬ = 0,5 мкм і yp kb = 0> 05.
Отримані в результаті розрахунку за формулами значення ширини резистивної смужки повинні бути співставлені з мінімальною шириною лінії, забезпечується прийнятої техно-гією, т. Е. З роздільною здатністю технології, бтехн. Прини-мається максимальне з трьох отриманих значень
(2.14)
яке остаточно округляється в більшу сторону.
Питомий опір квадрата площі резістіва шару залежить від товщини шару і структури резистора. Резистивний шар може бути обмежений одним (Малюнок 2.1, а - в) або двома р - n-переходами. Оскільки домішка в отриманому дифузією резистивном шарі розподілена нерівномірно, розрахунок питомої об'ємного опору матеріалу шару праце-ємний.
Номограми дозволяють знайти усереднену питому обсяг-ву провідність про резистивного шару в залежності від поверхно-стной концентрації акцепторних домішок Ns а, концентрації донорних домішок у вихідному матеріалі (епітаксиальні шарі) N d 0 і відносини поточної координати х р - n-переходу (якщо він є), що обмежує резистивний шар зверху, до глибині р - n-переходу Xj, що обмежує резистивний шар знизу. Наприклад, для резистора, зображеного на малюнку 2.1, а, це відно-шення x | x j = 0, оскільки резистивний шар починається безпосереднім-ного на поверхні кристала.
Таким чином, питомий опір квадрата резистивного шару
(2.15)
де d рез = x j - х - товщина резистивного шару.
Типові значення р кв для резисторів на основі різних верств напівпровідникової транзисторної структури приведені В таблиці.
Малюнок 2.3. Номограми для визначення провідності напівпровідникових областей, отриманих дифузією акцепторної домішки, в матеріал з різною вихідною концентрацією донорної домішки N d:
а) N do = 10 15 см -3; б) N do = 10 16 см -3 в) N do = 10 17 см -3 (3.2.16)
Резистори широко використовуються в аналогових напівпровідникових ІМС, а також в аналогових підсистемах ВІС і НВІС У логічних ІМС і ІМС для запам'ятовуючих пристроїв застосований-ня резисторів постійно скорочується. Це пояснюється переходом до зниження робочих струмів і напруг, що веде до необхідно-сти збільшення розмірів резисторів (довжини, займаної площа-ді), т. Е. До збільшення розмірів ІМС. У мікросхемах з інжекційних харчуванням, зокрема, резистори як елементи ІМС виключені майже повністю.
За допомогою низькоомних резистивних шарів в напівпровідников-вих ІМС виконуються перетину струмопровідних доріжок межсоединений (Малюнок 2.2). При цьому металева або полікремнію-вая доріжка проходить поверх оксиду, в той час як низькоомних резистивна доріжка - під оксидом.
ЛІТЕРАТУРА
Черняєв В.Н. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. Підручник для вузів - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил.
Технологія НВІС. У 2 кн. Пер. з англ. / Под ред. С.Зі, - М .: Світ, 2006.-786 с.
Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник. - М .: Радио и связь, 2001.-528 с.
Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи СБІС.-Мн .: Виш.шк., 2003.-238 с.
Тару Я. Основи технології НВІС Пер. з англ. - М .: Радио и связь, 2005-480 с.
|