Методика расчета диффузионного резистора

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

РАСЧЕТ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

 

Методические указания для практических занятий

 

ИРКУТСК 2007

 

Введение

Полупроводниковая ИМС – это монолитное устройство, в котором все элементы изготовлены на единой полупроводниковой подложке и в едином технологическом цикле.

Особенность технологического процесса производства полупроводниковых ИМС заключается в том, что одновременно с изготовлением транзисторных структур необходимо получать диоды, резисторы и конденсаторы, параметры которых удовлетворяли бы требованиям, устанавливаемых на этапе схемотехнической отработки.

В гибридных интегральных микросхемах пассивные элементы выполняются по тонкопленочной или толстопленочной технологии, а активные элементы являются навесными, т.е. компонентами.

Основной задачей при проектировании всех ИМС является разработка топологического чертежа, который дает необходимую информацию непосредственно перед технологическими этапами создания микросхемы.

 

 

Рис. Фрагмент Интегральной микросхемы (ИМС)

 

Расчетная работа N 1

Полупроводниковые резисторы

Цель работы:рассчитать геометрические размеры окна под диффузия для получения полупроводникового резистора.

 

Основные теоретические сведения

Первоначально в полупроводниковых ИС применялись толь­ко диффузионные резисторы(ДР), основу которых составлял один из диффузионных слоев, расположенных в изолирован­ном кармане. В настоящее время большое распространение по­лучили также ионно-легированные резисторы.

Диффузионные резисторы. Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n- переходом, и зависит от геометрических размеров резистивной области и распределения примеси по глубине диффузионного слоя, которое характеризуется удельным поверхностным сопротивлением r_s. Типичные значения сопротивления ДР лежат в диапазоне 4r_s < R < 10⁴r_s. Нижний предел ограничен сопротивлением приконтактных областей, верхний – допустимой площадью, отводимой под диффузионный резистор. Для диффузионных резисторов чаще всего используется полоска базового слоя с двумя омиче­скими контактами (рис. 1, а). Для такой полосковой конфи­гурации сопротивление ДР  записывается в виде:

R=r_s (l/b)

где r_s— удельное сопротивление слоя , а разме­ры l и b показаны на рис. 1.

И длина, и ширина полоскового ДР ограничены. Длина l не может превышать размеров кристалла. Ширина b ограничена возможностями фотолитографии, боковой диффузией, а также допустимым разбросом (10-20%).

 

 

 

Рис. 1. Диффузионный резистор с полосковой (а) и с зигзагообразной ( б) конфигурацией. 

Подставляя в формулу значения r_s = 200 Ом/ и l/b = 100, по­лучаем типичное значение максимального сопротивления Rmax = 20 кОм. Это значение можно повысить в 2-3 раза, используя не полосковую, а зигзагообразную конфигурацию ДР (рис. 1, б). В этом случае сопротивление записывается в бо­лее общем виде

Здесь п — количество «петель» (на рис. 1, б п = 2), а сла­гаемое 1,3 учитывает неоднородность ДР в районе омических контактов.

Количество «петель» в конечном счете ограничено площа­дью, отводимой под ДР. Обычно п < 3, в противном случае пло­щадь резистора может достигать 15-20 % площади всего крис­талла. Максимальное сопротивление при п = 3 не превышает 50-60 кОм.

Температурный коэффициент сопротивления ДР, выпол­ненного на основе базового слоя, составляет 0,15-0,30 %/°С, в зависимости от значения r_s. Разброс сопротивлений относите­льно расчетного номинала составляет ± (15-20) %. При этом сопротивления резисторов, расположенных на одном кристал­ле, меняются в одну и ту же сторону.

Если необходимые номиналы сопротивлений превышают 50-60 кОм, можно использовать так называемые пинч-резисторы. Структура пинч-резистора показана на рис. 2. По сравне­нию с простейшим ДР пинч-резистор имеет меньшую площадь сечения и большее удельное сопротивление (так как использует­ся донная, т.е. слабо легированная часть р-слоя). Поэтому у пинч-резисторов удельное сопротивление слоя обычно составля­ет 2-5 кОм/ и более, в зависимости от толщины. При таком значении r_sмаксимальное сопротивление может достигать зна­чений 200—300 кОм даже при простейшей полосковой конфигу­рации.

Недостатками пинч-резисторов являются: больший разброс номиналов (до 50 %) из-за сильного влияния изменения толщи­ны р-слоя, больший температурный коэффициент сопротивле­ния (0,3-0,5 %/°С) из-за меньшей степени легирования донной части р-слоя, нелинейность вольт-амперной характеристики при напряжениях более 1—1,5 В. Пробивное напряжение пинч-резисторов определяется пробивным напря­жением эмиттерного перехода (обычно 5-7 В).

Если необходимые номиналы сопротивлений составляют 100 Ом и менее, то использование базового слоя в ДР нецелесооб­разно. Для получения ДР с малыми номиналами сопротивлений испо­льзуют низкоомный эмиттерный слой. При значениях r_s = 5-15 Ом/, свойственных этому слою (см. табл. 1), удается получить минимальные сопротивления 3-5 Ом с температур­ным коэффициентом 0,01-0,02 %/°С.

Ионно-легированные резисторы. За последнее время все боль­шее распространение получают ионно-легированные резисторы, которые в отличие от ДР получаются не диффузией, а локальной ионной имплантацией примеси.

Структура ионно-легированного резистора такая же, как ДР (рис. 3), но глубина имплантированного р-слоя значительно меньше глубины базового слоя и составляет всего 0,2-0,3 мкм. Кроме того, ионная имплантация позволяет обеспечить сколь угодно малую концентрацию примеси в слое. Оба фактора спо­собствуют получению весьма высоких удельных сопротивлений слоя — до 10—20 кОм/. При этом номиналы сопротивлений могут составлять сотни килоом. ТКС меньше, чем у ДР, и лежит в пределах 3-5%/°С, а разброс сопро­тивлений не превышает ±(5-10)%.

Поскольку толщина им­плантированного слоя мала, к нему трудно осуще­ствить омические контак­ты. Поэтому по краям резистивного слоя на этапе базо­вой диффузии осуществля­ют узкие диффузионные р-слои, к которым омический контакт осуществляется обыч­ным способом.

 

 

 

Рис. 2. Пинч-резистор

 

     Рис. 3. Ионно-легированный резистор

Эквивалентные схемы. Характерной особенностью любого интегрального резистора является наличие у него паразитной емкости относительно подложки или изолирующего кармана. В простейшем ДР (рис. 1) такой паразитной емкостью явля­ется барьерная емкость перехода между рабочим р-слоем и эпитаксиальным n-слоем кармана .

Строго говоря, совокупность резистора и паразитной емко­сти представляет собой распределенную LС-линию (рис.4).

Однако для приближенных рас­четов удобнее пользоваться эквивалентными схемами: П-образной (рис. 5, а) или Т-образной (рис. 5, б).

 

Рис. 4 Физическая модель

 интегрального резистора в виде

распределенной RC-линии.

 

 

 

Рис.5 Эквивалентные схемы интегрального резистора

 

На этих схемах R — сопротивление, - усредненная емкость перехода.

Необходимость усреднения емкости объясняется следующим. При протекании тока через резистор потенциал р-слоя оказывается разным в разных точках. Поскольку потенциал n-слоя постоянный, напряже­ние на p-n-переходе будет меняться вдоль оси у, а следовательно, бу­дет меняться и барьерная емкость.

В типичном случае, когда один из зажимов резистора (на­пример, 2) находится под постоянным потенциалом, а через другой зажим (1)задается ступенька тока, эквивалентная П-образная схема сводится к простейшей RС-цепочке, показанной на рис. 5, в. Сущность переходного процесса состоит в плав­ном изменении напряжения на резисторе при скачкообразном изменении тока. Постоянная времени, определяющая длитель­ность переходного процесса, имеет вид  ,

 

соответствующая граничная частота

Для значений R = 10 кОм и  = 1,3 пФ получаем: τ = 6,5 нc и fгр ≈ 25 МГц. Это значит, что в данном примере резистор выпол­няет свою функцию (т.е. имеет чисто активное сопротивление) только до частот 10-15 МГц. При более высоких частотах его сопротивление становится комплексным и работа схемы, в кото­рой он используется, может существенно измениться.

Рассмотренные эквивалентные схемы действительны и для других вариантов резисторов: когда рабочими являются эмиттерный или коллекторный слой, а также при диэлектрической изоляции элементов. Однако количественные результаты ока­зываются разными. Например, при использовании диэлектри­ческой изоляции постоянная времени может быть в несколько раз меньше.

Топология интегральных резисторов представлена на рисунке 6. Низкоомные резисторы (десятки Ом) имеют малое отношение длины к ширине резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен Ом до единиц кОм имеют вид, изображенный на рисунке 6,а. Для высокоомных резисторов (до 20 кОм) применяют резисторы, топология которых показана на рисунке 6,б.Резисторы с сопротивлением до 60 кОм имеют форму меандра (рис. 6,в).

 

 

Рис. 6. Топологии интегральных резисторов

 

 

Методика расчета диффузионного резистора

 

При создании ИМС параметры ДР регулируют выборомконфигурации и геометрических размеров резисторов. Исходными данными для расчета геометрических размеров резисторов являются: номинальное значение сопротивления R с допустимой относительной погрешностью g =DR/R (20 %) ; удельное поверхностное сопротивление материала резистора r_s; ( для базового слоя 200 Ом/, для эмиттерного слоя 10 Ом/, для ионно-легированного 1000 Ом/); значения мощности рассеяния Р (0,1 Вт); максимальная рабочая температура Tmax(40° С); минимальная рабочая температура Tmin (-40° С).

Толщина базового слоя 3 мкм, толщина эмиттерного слоя 2 мкм.

Расчет геометрических размеров резистора начинают с определения его ширины b, а затем длины l .

За расчетную ширину резистора b_расч принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из величин:

b_расч = max{ b_техн., b_точн , b_р},

где b_техн.- минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов; b_точн - минимальная ширина резистора, при которой обеспечивается заданная погрешность размеров ; b_р - минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния. b_техн находят из перечня технологических ограничений (b_техн » 5мкм), b_точн - определяется из выражения:

b_точн  = (Db+Dl/K_ф) / g _,

где Db и Dl – абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски, обусловленные технологическими процессами (Db = Dl » 0,1мкм ); коэффициент формы K_ф = l / b = R / r_s; погрешность коэффициента формы g =DK_ф /K_ф= DR/R – Dr_s/r_s - a_{R D}T, здесь DR/R = g (допустимая относительная погрешность), для базового слоя 20%; Dr_s/r_s=g_rs (относительная погрешность воспроизведения удельного поверхностного сопротивления, для практических расчетов 5%); a_{R D}T – температурная погрешность сопротивления, a_R=0,5_*10^-3 1/град; _DT=T_max- T  .

b_р - минимальная ширина резистора, определяемая из максимально допустимой мощности рассеяния:

b_р=  ,

где Ро- максимальная удельная мощность рассеяния (для кремния Ро= 5,0 Вт/мм²).

---

Дата добавления: 2018-05-31; просмотров: 2231; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!