Элементы полупроводниковых ИМС на биполярных транзисторах

Рассмотрим разновидности  интегральных резисторов.

Диффузионные  резисторы. Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью (рис. 1.12, 1.13, 1.14). Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного р-п-переходом. Оно определяется геометрическими размерами резистивной области и распределением примеси по глубине диффузионного слоя, которое, в свою очередь, характеризуется удельным поверхностным сопротивлением . Значение является конструктивным параметром резистора, зависящим от технологических факторов (режима диффузии).

Рисунок 1.13 Поперечный разрез диффузионного резистора на основе базовой области

Рисунок 1.12 Конструкция диффузионного резистора на основе базовой области.

  

 

 

 

 

При создании ИМС параметры  диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа п-р-п, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Конфигурации диффузионных резисторов даны на рис. 1.15. Низкоомные (десятки ом) резисторы (рис. 1.15, а) имеют малое отношение l/b. Форму и размеры контактов к ним выбирают такими, чтобы сопротивление приконтактных областей было значительно меньше сопротивления основной области резистора. Резисторы с сопротивлением от сотен ом до единиц килоом в плане имеют вид, изображенный на рис. 1.15, б, в. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Топологию, показанную на рис. 1.15, г, д, используют для создания высокоомных резисторов (до 20 кОм). Эти резисторы имеют сравнительно малую ширину, размеры приконтактных областей определяются возможностями технологии создания надежного контакта проводящих алюминиевых полосок с полупроводниковым материалом. Еще более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (рис. 1.15, е) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы, рис. 1.15, ж). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1—5 мм), ширина ограничена минимальной шириной окна под диффузию, определяемой возможностями фотолитографии (2,5—3 мкм), и боковой диффузией (уход примеси под окисел равен примерно глубине диффузионного p-n-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении , лежат в диапазоне . Нижний предел ограничивается сопротивлениями приконтактных областей, верхний — допустимой площадью, отводимой под резистор.

Максимальное сопротивление  ДР на основе базовой области приблизительно равно 60 кОм, если площадь, отведенная под резистор, не очень велика (не более 15% от площади кристалла). Воспроизводимость номинальных значений сопротивления обычно составляет 15—20% и зависит от ширины резистора (табл. 1.4). Отклонения от номиналов сопротивлений резисторов, расположенных на одном кристалле, за счет неточностей технологии имеют один и тот же знак, поэтому отношение сопротивлений сохраняется с высокой точностью (табл. 1.4). Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с TKR для отдельного резистора [(1,5-3) • 10^-4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых ИМС.

Рисунок 1.14 Конструкция диффузионного резистора на основе эмиттерной области.

Рисунок 1.15 Конфигурация диффузионных резисторов. на основе базовой области.

 

 

 

На основе эмиттерной области  формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с ТКR = (1 2) • 10^-4 1/°С], поскольку значение эмиттерного слоя невелико (см. табл. 1.1).

Пинч-резисторы. При необходимости создания в ИМС резисторов с сопротивлением более 60 кОм используют пинч-резисторы (синонимы: канальные, сжатые, закрытые резисторы). Их формируют на основе донной, слаболегированной базовой области, имеющей большее сопротивление и меньшую площадь сечения (рис. 1.16, 1.17). Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200—300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, = 2 5 кОм/. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р-слоя, большого ТКR = (З 5) • 10^-3 1/°С вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора п⁺- и р-слои закорочены металлизацией (см. рис. 1.16) и соединены с выводом резистора, находящимся под большим положительным потенциалом, чем остальные области структуры. Такое соединение обеспечивает обратное смещение на всех переходах пинч-резистора. Этот резистор имеет линейный участок в. а. х. только до напряжений 1 —1,5 В, его пробивное напряжение равно 5—7 В (эмиттерный переход, см. табл. 1.2).

 

Таблица 1.4 – Точность изготовления диффузионных резисторов на основе базовой области и отношения их сопротивлений

Ширина резистора, мкм	Точность воспроизведения  номинала сопротивления, %	Точность отношения  сопротивлений, %
		1:1	1:5
7	15	2	5
25	8	0,5	1,5

 

 

Рисунок 1.17 Конструкция пинч-резистора на основе базовой области с использованием эмиттерной диффузии (закрытый I и полузакрытый)

  

Рисунок 1.16 Конструкция пинч-резистора.

 

 

 

 

Эпитаксиальные  резисторы. Из трех областей транзистора коллекторная имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение (500 5000 Ом/). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР (рис. 1.18) поперечное сечение по форме существенно отличается от сечений ДР, ибо эпитаксиальный резистор формируется разделительной диффузией. Так как эта диффузия самая продолжительная и точная регулировка размеров диффузионных областей, особенно величины боковой диффузии, затруднена, разброс номиналов сопротивления ЭР значителен. Казалось бы, что большие значения позволяют экономить площадь кристалла при формировании ЭР больших номиналов, однако значительная площадь области разделительной диффузии (рис. 1.18) сводит на нет это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое напряжение пробоя (>100 В) и большой ТКR, поскольку коллекторная область легирована слабо.

Рисунок 1.18 Конструкция интегрального резистора на основе коллекторной области.

Рисунок 1.19 Конструкция эпитаксиального пинч-резистора.

  

 

 

 

 

Эпитаксиальные  пинч-резисторы. Конструкции этих резисторов отличаются от обычного ЭР тем, что их поперечное сечение уменьшено сверху на глубину базового слоя, что и предопределяет большие, чем у ЭР, значения (=4 8 кОм/) и номиналы сопротивления при одной и той же площади (рис. 1.19). Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением (см. табл. 1.2), ТКR 4 • 10^-3 1/°С.

Рисунок 1.20 Конструкция ионно-легированных резисторов, сформированных имплантацией примеси p-типа в эпитаксиальной (коллекторный) (а) и примеси n-типа в базовый слой (б)

 

Ионно-легированные резисторы. Структура этих резисторов такая же, как и у ДР, но глубина ионно-легированных слоев, в которых сформировано тело резистора, составляет лишь 0,1—0,3 мкм (рис. 1.20). Ионная имплантация может обеспечить малую концентрацию легирующей примеси в слое. При соответствующем выборе дозы легирования и параметров отжига (10—20 мин при 500—600°С) можно получить = 0,5 20 кОм/ в резисторах со структурой рис. 1.20, а и = 500 1000 Ом/ в резисторах со структурой рис. 1.20, б. Могут быть достигнуты номиналы сопротивлений в сотни килоом со сравнительно низким ТКR и допуском ±10%. Ширина и толщина ионно-легированных резисторов с большими номиналами сопротивлений очень малы, что усложняет получение качественного омического контакта. Для формирования надежных контактов используют диффузионные р-или n-области, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии (рис. 1.20).

 

 

 

 

 

 

 

Характеристики  интегральных резисторов. Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5 –Характеристики интегральных резисторов

Тип резистора	Толщина слоя, мкм	Поверхностное сопротивление , Ом/	Допуск, %	ТКR(), 1/	Паразитная емкость, пФ/мм2
Диффузионный резистор на основе базовой области	2,5-3,5	100-300	(5-20)	(0,5-3)*10-3	150-350
Пинч-резистор	0,5-1,0	(2-15)*103	50	(1,5-3)*10-3	1000-1500
Диффузионный резистор на основе эмиттерной области	1,5-2,5	1-10	20	(1-5)*10-4	1000-1500
Эпитаксиальный резистор	7-1,0	(0,5-5)*103	(15-25)	(2-4)*10-3	80-100
Ионно-легированный резистор n-типа	0,1-0,2	(5-10)*102	50	(1,5-5)*10-3	200-350

 

Тонкопленочные  резисторы. В совмещенных ИМС (в одной конструкции совмещены элементы, изготовляемые по полупроводниковой и пленочной технологии) поверх слоя защитного диэлектрика могут быть сформированы тонкопленочные резисторы. По сравнению с полупроводниковыми резисторами они обладают следующими преимуществами: имеют более высокие значения , меньшие значения паразитных параметров, более высокую точность изготовления, низкий ТКR. Основной их недостаток—необходимость введения дополнительных операций в технологический маршрут изготовления ИМС и дополнительных мер защиты от внешних воздействий. Наиболее часто используемые материалы для тонкопленочных резисторов — нихром и тантал (табл. 1.6), наиболее распространенная форма — полосковая (см. гл. 3). Тонкопленочные резисторы располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiO₂), не содержащей ступенек.

Таблица 1.6 – Характеристики тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС

Материал	, Ом/	ТКR()*10-4, 1/	Допуск, %	Разброс отношения  сопротивлений, %
Нихром	40-400	1	5	1
Тантал	200-5000	1	5	1
Пленка SiO2	80-4000	0-15	8	2

 

Соединения и  контактные площадки. Соединения. Элементы ИМС электрически соединены между собой с помощью алюминиевой разводки толщиной до 0,8 мкм. Когда в однослойной разводке не удается избежать пересечений, применяют диффузионные перемычки (рис. 1.24). Речь идет об изоляции двух взаимно перпендикулярных проводников, первый из которых размещен поверх защитного окисла, второй «подныривает» под него в виде участка n⁺ слоя. Этот участок имеет заметное сопротивление (3— 5 Ом), вносит дополнительную паразитную емкость и занимает сравнительно большую площадь (для него требуется отдельная изолированная область), поэтому диффузионной перемычкой пользуются в исключительных случаях. Диффузионные перемычки не применяют в цепях питания, в которых протекают достаточно большие токи.

Рисунок 1.24 Конструкция диффузионных перемычек

 

 

 

Рисунок 1.25 Конструкция соединений (а) и контактной площадки (б) ИМС

 

 

 

 

 

Контактные площадки. Контактные площадки (КП), располагаемые обычно по периферии полупроводникового кристалла, служат для создания соединений полупроводниковой схемы с выводами корпуса с помощью золотых или алюминиевых проволочек методом термокомпрессии. Для КП используют тот же материал, что и для создания разводки (чаще всего алюминий); КП формируют одновременно с созданием разводки. Для предотвращения замыканий КП на подложку в случае нарушения целостности окисла при термокомпрессии под каждой КП формируют изолированную область (за исключением КП, соединенных с проводниками, имеющими контакт с подложкой). Конструкция КП приведена на рис. 1.25.

Фигуры совмещения. Фигуры совмещения являются вспомогательными элементами ИМС, необходимыми для точного выполнения операции совмещения рисунка фотошаблона при фотолитографии с рисунком ранее созданных слоев. Число фигур совмещения на единицу меньше числа операций фотолитографии, использованных при изготовлении ИМС (рис. 1.26). Фигуры совмещения могут иметь различную форму (рис. 1.27, а—д).

Рисунок 1.26 фрагмент топологии ИМС  с фигурами совмещения.

Рисунок 1.27 Варианты фигур  совмещения.