Пассивные элементы интегральных микросхем

Усложнение электронных устройств и систем, в которых количество дискретных элементов достигло десятков и сотен тысяч, вызвало снижение эксплуатационной надежности при одновременном увеличении габаритов и массы, росте потребления электрической энергии, стоимости. Эти недостатки устраняются с внедрением изделий микроэлектроники.

Микроэлектроника – это область науки и техники, занимающаяся физическими и техническими проблемами создания интегральных схем. Интегральная технология является наиболее важным технологическим приемом микроэлектроники и позволяет на одной пластине создавать группы элементов, схемно соединенных между собой. Функциональные узлы, выполненные по интегральной технологии, называют интегральными микросхемами.

Интегральная микросхема – это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных компонентов (транзисторов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на общей подложке.

Наиболее распространенными пассивными элементами в полупроводниковых микросхемах являются резисторы. Слой полупроводника, изолированный от других элементов, может служить резистором интегральной микросхемы. Однако, ввиду низкого удельного сопротивления слоя полупроводника, резисторы занимают большую часть площади всей микросхемы. В связи с этим микросхемы проектируют с минимальным числом резисторов, а величина их сопротивления должна быть небольшой, менее 10 кОм. Так, к примеру, цифровые интегральные микросхемы содержат меньше резисторов, чем аналоговые схемы. А цифровые микросхемы на полевых транзисторах практически не имеют резисторов, их функции выполняют дополнительные транзисторы, работающие на крутом восходящем участке вольт-амперной характеристики.

Наряду с резисторами в гибридных интегральных микросхемах распространенными пассивными элементами являются пленочные конденсаторы. При этом пассивные элементы во многом определяют схемотехнические и эксплуатационные характеристики интегральных микросхем (ИМС). В низкочастотных микросхемах используются дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности, а в аналоговых высокочастотных микросхемах – пленочные конденсаторы емкостью менее 100 пФ. Пленочные конденсаторы бывают как тонко-, так и толстопленочные и занимают большую площадь ИМС. В связи с этим в полупроводниковых интегральных микросхемах роль конденсаторов выполняют обратносмещенные p–n переходы и структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-конденсаторы).

Несмотря на ограничения на размеры или допуски абсолютных значений, пассивные элементы в интегральных схемах обладают некоторыми преимуществами монолитных структур, такими, как хорошая воспроизводимость по номинальной величине и температурной зависимости.

В зависимости от формы обрабатываемых электрических сигналов микросхемы бывают аналоговыми или цифровыми.

Параметром, определяющим уровень сложности микросхем, является степень интеграции, под которой понимается округленный до ближайшего целого числа коэффициент К, являющийся показателем десятичного логарифма от числа N содержащихся в микросхеме элементов и компонентов: .

По уровню сложности цифровые микросхемы подразделяются на малые (МИС, К £ 1…2), средние (СИС, 2 £ К £ 3…4), большие (БИС, 3…4 £ К £ 5) и сверхбольшие (СБИС, K > 5).

Основные типы микросхем – пленочные и полупроводниковые. В пленочных микросхемах элементы и соединения выполнены в виде различных пленок (проводящие, резистивные и диэлектрические) на подложке из диэлектрика. В полупроводниковых микросхемах пассивные и активные элементы вместе с изолирующими и проводящими областями создаются на одной подложке кремния или другого полупроводника. Применяются еще и так называемые гибридные микросхемы, в которых органически сочетаются в одном корпусе пленочные конструкции из пассивных элементов с дискретными миниатюрными активными компонентами.

К пассивным компонентам ИС относятся резисторы, конденсаторы, индуктивности и внутрисхемные соединения.

Резисторы

В ИМС применяются пленочные, диффузионные резисторы и резисторы на основе МДП-структур.

Сопротивление бруска из однородного проводящего кристаллического материала определяется выражением

, (8.1)

где r – удельное сопротивление резистивного материала, величина обратная удельной проводимости

, (8.2)

l, b, d – длина, ширина и толщина резистивной пленки.

Для изготовления пленочных резисторов используются различные материалы: металлы, сплавы, смеси металлов с диэлектриком (керметы), удовлетворяющие требованиям по металлургической совместимости, адгезии, технологичности и стабильности. Каждый материал характеризуется определенной толщиной, для которой удельное сопротивление материала является оптимальным .

Этот параметр r_s называют поверхностным сопротивлением, которое имеет размерность Ом, но часто выражается в Омах на квадрат (Ом/см²). А сопротивление резистора

. (8.3)

Резисторы в тонкопленочных ИС представляют собой или полоску, или пленку определенной конфигурации, нанесенную между двумя контактами на изолирующей подложке. На рис. 8.1,а,б показаны конфигурации пленочных резисторов.

Используя поверхностное сопротивление r_s в качестве параметра резистивной пленки, можно изготавливать резисторы с различными сопротивлениями, используя один и тот же материал, изменяя только отношение l/b. Для прямоугольных резисторов максимальная длина по технологическим соображениям ограничена величиной . Для реализации резисторов с K_ф>10 используют зигзагообразную конфигурацию рис. 8.1,б, при этом площадь платы, занимаемая резистором, уменьшается. Сопротивление пленочного резистора может достигать значений порядка 10 МОм. После нанесения резистивной пленки обычно производится подгонка резистора под номинал, что позволяет получить прецизионные и стабильные резисторы.

В монолитных ИМС используются диффузионные резисторы, изготавливаемые одновременно с транзисторами в одном технологическом процессе и на той же подложке. Диффузионные резисторы изготавливаются на диффузионных слоях базовой и эмиттерной областей транзисторной структуры (рис. 8.1,в).

Эмиттерная область содержит наибольшую концентрацию примеси и имеет наименьшее удельное сопротивление. Эмиттерная область служит для создания резисторов с малым сопротивлением до 10 Ом и малым температурным коэффициентом сопротивления: ТКС = 0,01 %/°С.

Коллекторная область транзистора содержит наименьшую концентрацию примеси и обладает большим сопротивлением. Из-за малой концентрации примеси температурный коэффициент сопротивления у этих резисторов очень велик.

На практике в качестве диффузионного резистора используется базовая область транзисторной структуры, сопротивление которой может достигать 50 кОм с ТКС = 0,1…0,3 %/°С.

Для получения резисторов с большими номиналами сопротивлений используются так называемые пинч-резисторы (сжатый резистор), которые изготавливаются в процессе базовой диффузии в виде резистивных слоев. Пинч-резистор имеет меньшую площадь сечения, ограниченную p–n переходом, образованного путем эмиттерной диффузии на поверхности резистивного слоя. Это позволяет увеличивать поверхностное сопротивление и изготавливать резисторы большого номинала на малой площади.

Эквивалентная схема диффузионного резистора (рис. 8.1,г) достаточно сложная и содержит следующие основные и паразитные элементы:

R₁ – сопротивление проводящего слоя резистора; R₂ – сопротивление токам утечки n–области; R₃ –сопротивление контактов и подводящих электродов (порядка 10 Ом); R₄ – сопротивление токам утечки подложки; C₁ – емкость верхнего p–n перехода; C₂ – емкость нижнего p–n перехода; T – паразитный транзистор, у которого коллекторный переход образован подложкой и эпитаксиальной пленкой, а эмиттерный – слоем резистора и эпитаксиальной пленкой. Величины емкостей C₁ и C₂ невелики и оказывают влияние на высоких частотах. Для каждого резистора имеется своя частота, выше которой начинается резкое уменьшение сопротивления. На практике она составляет около 10 ГГц.

В микросхемах на МДП-транзисторах в качестве резисторов в виде нагрузочного сопротивления используются транзисторы, работающие на квазилинейном участке ВАХ. Сопротивление нагрузочного резистора зависит от смещения на затворе и от разности потенциалов между истоком и подложкой. При изменении потенциала истока происходит модуляция проводимости канала под действием нижнего затвора, что приводит к изменению сопротивления нагрузочного резистора.

Диффузионные резисторы характеризуются, как и другие резистивные элементы, следующими параметрами: диапазоном номинальных значений сопротивлений, допуском по сопротивлению, температурным коэффициентом сопротивления, допустимой мощностью рассеяния и максимальным напряжением.

Из рассмотренного видно, что имеются возможности создавать резисторы больших номиналов. Однако в ИС для уменьшения габаритных размеров стремятся использовать минимальное число резисторов с максимальными номиналами.

Конденсаторы

В интегральных полупроводниковых схемах обычно применяют конденсаторы на основе p–n переходов и на основе структуры металл–диэлектрик–полупроводник. В интегральных схемах, использующих биполярные транзисторы, роль конденсаторов выполняют p–n переходы. При формировании p–n переходов используется диффузия, поэтому конденсаторы на их основе называют диффузионными. Структура такого конденсатора показана на рис. 8.2, цифрами 1 и 2 обозначены омические контакты. Принцип работы диффузионных конденсаторов основан на использовании барьерной емкости обратносмещенного p–n перехода, где диэлектриком служит обедненный слой p–n перехода.

Наибольшую удельную барьерную емкость C₀ имеет переход эмиттер-база. Однако он обладает низким пробивным напряжением U_{пр эб} £ 10 В, что ограничивает его применение. Поэтому широко используется конденсатор, образованный переходом база–коллектор, имеющий высокое пробивное напряжение.

Эквивалентная схема конденсатора на основе коллекторного p–n перехода представлена на рис. 8.3, где C₁ – барьерная емкость коллекторного перехода; C₂ – паразитная емкость изолирующего перехода коллектор–подложка. Она имеет ограниченное применение, так как вывод подложки является общим для всей ИС и заземлен по переменной составляющей тока. Конденсатор C₂ однако является неотъемлемой частью интегральной схемы, так как он всегда имеется при изоляции элементов схемы p–n переходом. Диоды D₁ и D₂ образуют емкости C₁ и C₂. R₁ – сопротивление, характеризующее неидеальность диэлектрика и наличие объемного сопротивления у p–слоя.

Для эффективного использования конденсатора, т.е. для получения максимального коэффициента передачи сигнала через конденсатор в нагрузку, необходимо, чтобы отношение C₁/C₂ было возможно больше. Это достигается при низком обратном смещении перехода база–коллектор и при большом напряжении смещения перехода коллектор–подложка, что позволяет получить С₁/С₂ в пределах от 3 до 10. Приближенное значение максимальной емкости диффузионного конденсатора составляет 500 пФ. Максимальное допустимое рабочее напряжение лежит в пределах от –15 до –25 В.

Сопротивление R₁ влияет на добротность конденсатора, которая определяется соотношением

. (8.4)

При увеличении сопротивления этого или любого резистора, включенного последовательно с конденсатором, добротность его уменьшается.

Такой конденсатор является полярным. Его емкость изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения. Максимальное значение емкости конденсатора тогда, когда напряжение внешнего смещения равно нулю. Емкость определяется контактной разностью потенциалов. Однако такой режим работы конденсатора на практике используется редко. Как исключение иногда используется режим малых напряжений, но при этом переход должен быть обратно смещен при любой фазе приложенных напряжений. Кремниевый переход находится в закрытом состоянии до напряжения U_пр = 0,5…0,7 В, приложенного в прямом направлении. Поэтому при изменении ширины объемного заряда p–n перехода под действием приложенного напряжения изменяется (модулируется) емкость конденсатора. Для уменьшения эффекта модуляции емкости конденсатора напряжение смещения должно быть больше амплитуды переменного напряжения, приложенного к переходу.

Конденсаторы, использую-щие свойства p–n перехода, имеют ряд недостатков:

– небольшие номинальные значения емкости,

– малая добротность,

– зависимость емкости от приложенного напряжения. На низких частотах влияние оказывает обратное сопротивление p–n перехода, а на высоких частотах сопротивление обкладок больше, чем структуры.

Эти недостатки можно устранить используя МДП-конденсаторы. В качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния (рис. 8.4), на который в дальнейшем наносится пленка алюминия, являющаяся обкладкой конденсатора. Второй обкладкой является сильнолегированная область кремния n⁺, имеющая омический контакт с выводом.

У МДП-конденсаторов имеется один p–n переход между коллекторной областью транзисторной структуры и подложкой, служащей для изоляции МДП-конденсатора от других элементов, расположенных на подложке.

Эквивалентная схема такого конденсатора показана на рис. 8.5, где С_s – поверхностная емкость полупроводника, определяемая поверхностным состоянием полупроводника, его способностью отдавать в объем полупроводника электроны и захватывать дырки, или отдавать дырки, а захватывать электроны.

На поверхности полупроводника возникает положительный или отрицательный заряды. C – полезная емкость, удельная емкость которой при толщине диэлектрического слоя 0,08…0,1 мкм составляет величину порядка 400…650 пФ/м². R – сопротивление n⁺–слоя и омических контактов. D – диод, образованный p–n переходом. C₁ – емкость диода.

МДП-конденсаторы являются неполярными и работают при любой полярности напряжения. Это является важным преимуществом МДП-конденсаторов перед диффузионными. Кроме того емкость МДП-конденсаторов зависит от частоты, а коэффициент передачи составляет не менее 0,9. В связи с этим МДП-конденсаторы не пригодны для работы в СВЧ диапазоне.

Пленочные конденсаторы

Они позволяют получить большую емкость и представляют собой многослойную структуру, показанную на рис. 8.6. На подложку наносится слой металла, служащий обкладкой конденсатора, на поверхности которого наносится слой диэлектрика. Диэлектрик покрывается металлическим слоем, служащим второй обкладкой конденсатора. В качестве диэлектрика используется окись тантала или моноокись кремния. Температурный коэффициент емкости таких конденсаторов порядка 0,02…0,04 %/°С, а добротность на высоких частотах определяется сопротивлением обкладок. В связи с этим чаще используются алюминиевые обкладки. Сопротивление пленки тантала велико, порядка 100 Ом/ð, поэтому танталовые конденсаторы являются низкочастотными.

В отличие от конденсаторов на основе p–n перехода в тонкопленочных конденсаторах параметры не зависят от величины и полярности прикладываемого напряжения и имеют большее значение емкости на единицу площади при меньшем паразитном воздействии. Однако имеется два основных недостатка, присущих тонкопленочным конденсаторам: требуются дополнительные технологические этапы, помимо обычных диффузионных циклов; выходят из строя из-за пробоя диэлектрика, когда напряжение превышает номинальное значение.

Биполярные транзисторы

Основным и наиболее универсальным элементом интегральных микросхем является биполярный транзистор. В большинстве случаев используется транзистор n–p–n типа, ибо подвижность электронов больше подвижности дырок, и они обладают лучшими частотными свойствами, чем транзисторы p–n–р типа.

Главное отличие структур биполярных транзисторов в микросхемах от дискретных транзисторов состоит в том, что интегральные транзисторы имеют дополнительные области, которые изолируют транзисторы от общей полупроводниковой подложки. Все выводы интегральных транзисторов располагаются на одной плоскости, что позволяет легко проводить межэлементные соединения всей микросхемы.

Изготовление транзисторов осуществляется одновременно с созданием других элементов схемы: резисторов, конденсаторов, диодов; при этом используются аналогичные полупроводниковые области: эмиттерная, базовая, коллекторная, т.е. все элементы полупроводниковых микросхем конструктивно и технологически совместимы.

Структура планарно-эпитаксиального транзистора представлена на рис. 8.7. На кремниевой подложке с электропроводностью р–типа методом диффузии изготавливаются области коллектора, базы и эмиттера. Особенностью планарных транзисторов является неравномерное распределение примеси в коллекторной области. Наличие большого числа примеси у коллекторного перехода обуславливает низкое значение пробивного напряжения коллекторного перехода и большое значение обратного сопротивления коллектора. Все это вызывает сильное влияние подложки на электрические параметры транзистора и ограничивает возможности планарных транзисторов в полупроводниковых интегральных схемах.

Улучшить ряд параметров транзисторов удается используя планарно-эпитаксиальную технологию. Важной конструктивной особенностью эпитаксиально-планарных транзисторов является скрытый n⁺–слой, предназначенный для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области и уменьшения степени влияния подложки на характеристики и параметры транзисторов. Низкоомный скрытый слой шунтирует расположенный над ним более высокоомный коллекторный слой n–типа и в десятки раз уменьшает объемное сопротивление коллекторной области между коллекторным переходом и выводом коллектора.

Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером в диапазоне малых значений U_кэ для транзисторов без скрытого слоя 1 и со скрытым слоем 2 приведены на рис. 8.8. Скрытый n⁺–слой влияет на форму выходной характеристики только в режиме насыщения, где r_{к диф} невелико. Скрытый слой позволяет получить малое значение остаточного напряжения при работе транзистора в цифровых микросхемах.

Интегральные транзисторы в полупроводниковых микросхемах обладают следующими параметрами: коэффициент передачи тока базы порядка 200; граничная частота до 500 МГц; емкость коллектора до 0,5 пФ; пробивное напряжение для коллекторного перехода до 50 В, для эмиттерного до 8 В; удельное сопротивление n– и p–слоев составляет несколько сотен, а n⁺–слоя – не более 20 Ом/ð.

Ввиду того, что интегральный транзистор занимает малую площадь подложки по сравнению с пассивными элементами, то в интегральных микросхемах используется большее число транзисторов, чем в дискретных аналогах.

Некоторые аналоговые схемы требуют использования p–n–р транзисторов, которые изготавливаются одновременно с транзисторами n–p–n типа. Такой интегральный транзистор принято называть горизонтальным, боковым или латеральным (рис. 8.9).

Эмиттерный и коллекторный переходы изготавливаются одновременно за счет диффузии акцепторной примеси. За счет меньшей подвижности дырок коэффициент передачи тока базы и граничная частота усиления значительно ниже, чем у аналогичных n–p–n транзисторов.

В латеральном транзисторе перенос зарядов протекает в горизонтальном направлении, параллельно поверхности подложки. Инжектированные эмиттером дырки диффундируют в горизонтальном направлении к коллектору. Коэффициент усиления по току латерального транзистора невелик из-за малого коэффициента инжекции эмиттера и широкой базы. Относительно низкая концентрация примесей и небольшая эффективная площадь эмиттера не позволяют получить большой коэффициент инжекции эмиттера. Одинаковые области эмиттера и коллектора обуславливают симметрию латерального транзистора, а это значит, что прямой и инверсный коэффициенты усиления по току почти одинаковы. Пробивные напряжения обоих переходов также практически одинаковы и составляют 30…50 В.

Важным параметром, характеризующим быстродействие транзистора, является время рассасывания избыточных зарядов. Для уменьшения его, интегральный транзистор легируется золотом, которое имеет большой коэффициент диффузии и проникает во все области транзистора (базу, эмиттер, коллектор). Это приводит к созданию дополнительных центров рекомбинации. В результате уменьшается время жизни неосновных носителей в базе и снижаются коэффициенты передачи h_21э, h_21б. Чтобы сохранить высокие значения h_21э, h_21б, уменьшив время рассасывания, переход база-коллектор шунтируют диодом Шотки. Такие транзисторы называют транзисторами с барьером Шотки. В отличие от планарного транзистора у транзисторов с барьером Шотки базовое контактное отверстие расширено в сторону коллекторной области n–типа (рис. 8.10,а). Диод Шотки образуется в месте контакта металла с высокоомной коллекторной областью n–типа. Диод Шотки оказывается включенным параллельно коллекторному переходу (рис. 8.10,б).

В режиме отсечки и в активном режиме потенциал коллектора выше потенциала базы, диод Шотки закрыт, и транзистор работает как обычный биполярный транзистор. При переходе из активного в режим насыщения потенциал коллектора становится меньше потенциала базы. Диод Шотки открывается, и основная часть тока базы поступает в коллектор через диод Шотки, минуя область базы транзистора. При этом не происходит накопления избыточного заряда в области базы, и при переключении транзистора из режима насыщения в активный или режим отсечки почти отсутствует процесс рассасывания избыточного заряда. Время рассасывания избыточного заряда определяется временем пролета электронов через базу и для транзисторов с достаточно тонкой базой менее 1 мкм составляет не более 1 нс.

Основная область применения транзисторов с диодом Шотки – это цифровые микросхемы с повышенным быстродействием, где транзисторы работают в режиме насыщения. На быстродействие работы транзистора в импульсном режиме, кроме времени рассасывания, сильно влияют время задержки, нарастания и спада, которые определяются барьерными емкостями переходов и емкостью нагрузки. Применение транзисторов с диодом Шотки позволяет повысить быстродействие цифровых микросхем в 2…5 раз.

В цифровых интегральных микросхемах широко используются особые транзисторные структуры – многоэмиттерные транзисторы, неимеющие дискретного аналога. Многоэмиттерные n–p–n транзисторы (МЭТ) отличаются от одноэмиттерных тем, что в их базовой области р–типа создается несколько эмиттерных областей (обычно 4…8). Структуры МЭТ получаются в едином технологическом процессе изготовления ИС вместе с одноэмиттерными интегральными транзисторами. Многоэмиттерный транзистор можно представить в виде совокупности отдельных n–p–n транзисторов, число которых равно числу эмиттеров (рис. 8.11,а), и имеющих общие коллектор и базу.

Под каждым эмиттером расположена активная область базы, а между соседними эмиттерами – пассивная область. Соседние эмиттеры вместе с разделяющей их пассивной областью базы образуют литеральный паразитный транзистор n–p–n типа. Роль коллектора в паразитном транзисторе выполняет эмиттер, на который подано отрицательное напряжение. Для устранения паразитного явления расстояние между соседними эмиттерами МЭТ делают больше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базе.

Включение МЭТ осуществляется по схеме, представленной на рис. 8.11,б. МЭТ используется для создания микросхем транзисторно-транзисторной логики. В интегральных микросхемах часто используется инверсное включение МЭТ, при этом транзистор называют многоколлекторным транзистором (МКТ). Многоколлекторный транзистор находит применение в интегральных схемах с инжекционным питанием.