Курсовая работа: Расчет геометрических размеров резисторов и разработка топологии интегральных микросхем
Технология полупроводниковых ИС обоих классов основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слон с разным типом проводимости и р—n- переходы на границах слоев. Отдельные слои используются в качестве резисторов, а р —n-переходы — в диодных и транзисторных структурах.
Легирование пластины приходится осуществлять л о к а л ь н о, т. е. на отдельных участках, разделенных достаточно большими расстояниями1 *. Локальное легирование осуществляется с помощью специальных масок с отверстиями, через которые атомы примеси проникают в пластину на нужных участках, При изготовлении полупроводниковых ИС роль маски обычно играет пленка двуокиси кремния SiO2 , покрывающая поверхность кремниевой пластины. В.этой пленке специальными методами гравируется необходимая совокупность отверстий или, как говорят, необходимый рисунок (рис. 8). Отверстия в масках, в частности и окисной пленке, называют окнами.
Теперь кратко охарактеризуем составные части (элементы) двух основных классов полупроводниковых ИС.
Рис 8, Окисная маска с окнами дли локального легирования
Основным элементом биполярных ИС является п—р—п- транзистор: на его изготовление ориентируется весь технологический цикл. Все другие элементы должны изготавливаться, по возможности, одновременно с этим транзистором, без дополнительных технологических операннй. Так, резисторы изготавливаются одновременно с базовым слоем п—р —транзистора и поэтому имеют ту же глубину, что и базовый слой. В качестве конденсаторов используются обратносмещенные р —n-переходы, в которых слои соответствуют коллекторному слою п—р —n-транзнстора, и слою р— базовому.
Основным элементом МДП ИС является МДП-транзистор с индуцированным каналом. Роль резисторов выполняют транзисторы, включенные по схеме двухполюсника, а роль конденсаторов — МДП-структуры, у которых слой диэлектрика получается одновременно с подзатворным слоем транзистора, а полупроводниковая обкладка — одновременно со слоями истока и стока.
Элементы биполярной ИС необходимо тем или иным способом изолировать друг от друга с тем, чтобы они не взаимодействовали через кристалл. Методы изоляции элементов рассматриваются Элементы МДП ИС не нуждаются в специальной изоляции друг от друга, так как взаимодействие между смежными МДП-транзисторами не имеет места и их можно располагать на минимальном расстоянии друг от друга. В этом одно из главных преимуществ МДП ИС но сравнению с биполярным.
Характерная особенность полупроводниковых ИС состоит в том, что среди их элементов отсутствуют катушки индуктивности и тем более трансформаторы. Эго объясняется тем. Чти до сих пор не удалось использовать в твердом теле какое-либо физические явление, эквивалентное электромагнитной индукции. Поэтому при разработке ИС стараются реализовать необходимую функцию без использования индуктивности, что в большинстве случаев удается. Если же катушка индуктивности или трансформатор принципиально необходимы, их приходится использовать в виде навесных компонентов.
Размеры кристаллов у современных полупроводниковых ИС лежат в пределах от 1,5 X 1,5 мм до б X 6 мм. Чем больше площадь кристалла, тем боле*' сложную, более многоэлементную ИС можно на нем разместить. При одной н той же площади кристалла можно увеличить количество элементов, уменьшая их размеры и расстояния между ними.
Функциональную сложность ИС принято характеризовать степенью интеграции, т. е, количеством элементов (чаще всего транзисторов) ни. кристалле. В 1978—1979 гг. максимальная степень интеграции составляла (5—6) • 104 элементов на кристалле. Повышение степени интеграции (а вместе с нею и сложности функций, выполняемых ИС) — одна из главных тенденций в микроэлектронике.
Кроме степени интеграции, используют еще такой показатель, как плотность упаковки — количество элементов (чаще всего транзисторов) на единицу площади кристалла, Этот показатель, который характеризует главным образом уровень технологии, в настоящее время составляет до 500—1000 элементов/мм.
3. Расчёт полупроводниковых резисторов
3.1 Общие сведения об изготовлении полупроводниковых резисторов
Интегральные резисторы. В полупроводниковых микросхемах функцию резистора выполняет объем полупроводника, имеющий определенные размеры и конфигурацию, или транзисторная схема (аналог резистора). Интегральные резисторы могут быть разделены на следующие типы в зависимости от структуры: диффузионные (на основе эмиттерной или базовой области); эпитаксийльные (на основе коллекторной области); пинч-резкеторы, а также резисторы, изготовляемые методом ионного легирования. Все интегральные резисторы, кроме последнего из перечисленных типов, изготовляются одновременно с активными элементами микросхем без введения дополнительных этапов обработки. Они создаются на основе коллекторной, базовой или эмиттеркой областей транзистора.
Диффузионные резисторы. Диффузионные резисторы изготавливают одновременно с диффузией примесей, в процессе которой создаются базовые или эмнттерные области п-р-п- транзнстора. Сопротивление диффузионного резистора представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п -переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слон, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением R*- Значение Rs является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии). Типичные значения сопротивлении диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении R лежит в пределах 4/?6 </?< <1()4 ^. Нижний предел ограничивается сопротивлением контактны* областей, которое должно быть значительно меньше сопротивления основной области резистора. В качестве контактирующего металла используется алюминий. Верхний предел ограничивается допустимой площадью, отводимой под резистор. Чаще всего резисторы выполняются на основе базовой области 100—300 Ом. В этом случае и качестве резистора используется область n-типа (рис 9, а). К слою n-типа прикладывается положительный потенциал, смещающий р-n-переход в обратном направлении. Обратносмещенный переход, обладающий большим сопротивлением, определяет границы диффузионной области и обеспечивает развязку по постоянному току между резистором и подложкой. На основе базового диффузионного слояможно получать резисторы с номиналами сопротивлений от 100 Ом до 60 кОм.
Рис. 9. Структуры диффузионных резисторов, a — резистор на основе базовой области; 6 — резистор на основе эмиттерцой области
Для резисторов с номиналами от 3 до 100 Ом целесообразно использовать эмиттерный диффузионный слой (рис, 10), поскольку значение R% эмиттерного слоя невелико R — 10 Ом.
Пинч-резисторы. При необходимости создания высокоомных резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резнеторы (канальные, сжатые или закрытые). Пинч-резнсторы могут создаваться на основе базового слоя или коллекторного. представлена конструкция пкнч-резистора на основе базового слоя, ограниченного по тол шиле эмиттерным слоем n+ -типа. Резистор представляет собой тонкий канал р-типа. используется донном, слаболегированная часть базовой области с R,=:2— 5 кОм/П. изолированная со всех сторон обратносмещенным р-n-переходом, так как эмиттерный слой n-тмпа За пределами резистора соединяется с зпитаксиальным n-слоем изолированной области. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конструкции. На рис. 5.6, б приведена конструкция пинч-резистора на основе коллекторной области, поперечное сечение которого уменьшено на глубину базового слоя (L, = 4—8 кОм). Для получения качественного омического контакта используют диффузионные n+ -области, которые создают на стадии эмиттернон диффузии, пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части, сопротивление их сильно зависит от температуры вследствие малой степени легирования областей, на основе которых они выполняются.
Рис10. Конструкция пинч-резисторов: а — на основе базового слоя; б — на основе коллекторной области
Эпитаксиальные резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное R2 (500—5000 Ом). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора постоянна по всему сечению в отличие от диффузионных резисторов. У эпитаксиального резистора поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений диффузионных резисторов, так как эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Поскольку эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления эпитаксиальных резисторов значителен. Эти резисторы имеют большой ТКС, поскольку коллекторная область легирована слабо. Таким образом, если в микросхеме можно использовать некритичные резисторы с высокими номинальными значениями, то их целесообразно формировать на основе эпитаксиального слоя, что позволит сэкономить площадь кристалла.
Ионно-легированные резисторы. Высокоомные резисторы, занимающие малую площадь на кристалле, можно получить, используя метод ионной имплантации. Поверхностное сопротивление резисторов, изготовленных методом ионного легирования, при соответствующем выборе дозы легирования и режиме термообработки может составлять от 500 Ом до 20 кОм. Абсолютное значение удельного поверхностного сопротивления может выдерживаться с точностью ±6%. Температурные коэффициенты сопротивления резисторов, полученных методом ионного легирования, обычно меньше ТКС диффузионных резисторов. Структура ионно-легированных резисторов такая же, как и диффузионных резисторов, но глубина ионно-легированных слоев составляет 0,1—0,3 мкм (рис. 11). Создание диффузионных р- или n-областей необходимо для получения качественных омических контактов. Низкий ТКС, высокое удельное сопротивление и хорошая совместимость с другими элементами позволяют, использовать ионно-легированные резисторы для изготовления прецизионных аттенюаторов, а также в микромощных микросхемах. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены
Рис. 11. Конструкция ионно-легированных резисторов:
а — с р-ионно-легироваиным слоем; б— с n-ионно-легированным слоем
3.2 Порядок расчета полупроводниковых резисторов
Как уже отмечалось, один из способов реализации резистивных элементов в полупроводниковых микросхемах заключается в использовании диффузионных слоев, полученных при формировании базовых или эмиттерных областей транзисторов. Кроме того, применяются эпитаксиальные и ионно-легированные резисторы.