Резистори і конденсатори у напівпровідниковому виконанні Топологічні рішення і методи розрахунку

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

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, тобто пасивних елементів напівпровідникових ІМС, призначених для використання їх. Ємності, найчастіше знаходять застосування назад-зміщені р - п-gt реходе Крім того, застосовуються структури типу метал-діелектрик .- напівпровідник (МДП) (у тому числі в біполярних мікросхемах). Рідше використовуються структури типу метал - діелектрик - метал (МДМ).
На малюнку 1.1 зображені структури конденсаторів напівпровідникових 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 колектор-підкладка, р-на основі паралельно включених ємностей емітерного і колекторного р-n-переходів; д - типу метал-діелектрик-напівпровідник.
Оскільки профіль розподілу концентрації домішок у вертикальних (бічних) площинах пленарних р - n-переходів, отриманих дифузією, значно відрізняється від профілю розподілу в горизонтальній частині р - n-переходів і аналітичний розрахунок його скрутний, У таблиці наводяться орієнтовні значення параметрів для обох випадків. Повна ємність.
Таблиця 1.1

конденсатора при використанні даних Таблиця розраховується відповідно до співвідношення
(1.1)
де С огоро, З оверт і S гір S верт - питомі ємності і площі горизонтальних і вертикальних площин р - «-переходів.
Температурний коефіцієнт ємності (ТКЕ) конденсатора визначається виразом
(1.2)
де Т - температура.
Якщо в інтервалі температур 2 - Т 1) зміна ємності (С 2 - С 1) пов'язано зі зміною температури лінійною залежністю, то ТКЕ описується формулою
(1.3)
Для конденсаторів на основі р-переходів при зворотних напругах порядку декількох вольт ТКЕ становить величину а з = (2-5) 10 Квітня 1/град.
Ємність конденсаторів типу метал - діелектрик - напівпровідник розраховується наступним чином. Оскільки повна питома ємність структури типу МДП С о складається з послідовно включених питомих ємностей діелектрика З Од та просторового заряду в напівпровіднику З 0п) вона може бути визначена 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 діелектричної плівки.
Ємність області просторового заряду в поверхневому шарі напівпровідника залежить від прикладеної до МДП-конденсатору напруги.
Якщо знак і величина прикладеної напруги такі, що на поверхні напівпровідника утворюється шар, збагачений основними носіями заряду, повна питома ємність визначається питомою ємністю діелектрика, т. е. З 0 = З 0я. (Для структури, зображеної на малюнку 1.1, д, це рівність буде виконуватися при додатку до металевого електроду, розташованому над оксидом, досить великого за величиною напруги позитивного знака.)
За відповідних знаку і досить великій величині прикладеного напруги в приповерхневому шарі напівпровідника під окислом може утворитися інверсійний шар, тобто шар зі зворотним по відношенню до нейтрального станом 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 згідно співвідношенню
(1.6)
де N - концентрація домішок в напівпровіднику; U - Прикладена напруга.
Розглянута залежність ємності МДН-конденсатора на частотах вище 100 Гц від напруги (вольт-фарадні характеристика) ілюструється Малюнок 3.1.2. Як видно з малюнка, при негативних напругах на металевому електроді (для напівпровідника р-типу) питома ємність визначається ємністю оксиду, при значних позитивних напругах - ємністю просторового заряду інверсійного шару в напівпровіднику, при проміжних значеннях напруги вона змінюється відповідно до співвідношенню (1.5).

Рисунок 1.2 Залежність нормалізованої питомої ємності МДН-конденсатора від величини і знака прикладеної напруги.
Орієнтовно структура типу МДП-(див. Малюнок 1.1, д) має ванної питомої ємності С 0 = 400 - 600 пФ / мм 2 і пробивним напругою U пр = 10-50 В. ТКЕ складає величину близько а з = 10 -4 1/град. Конденсатори, як правило, не застосовуються в сучасних логічних ІМС. У 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
В якості резисторів, тобто пасивних елементів ІМС, призначених для використання їх електричного опору, застосовуються зазвичай шари напівпровідника, що створюються за допомогою дифузії домішок одночасно з колекторними або базовими областями транзисторів. Області, створювані разом з емітерами 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, отриманих шляхом вакуумного напилення на поверхню напівпровідникового кристалу тонких плівок металів або сплавів (у цьому випадку мікросхеми називаються сполученими). Останнім часом отримали розвиток резистори з полікристалічного кремнію, нанесеного на поверхню кристала.
Структури резисторів, одержуваних шляхом дифузії домішок, показані на малюнку 1.1. Там же схематично показано розподіл концентрації домішок у шарах полупровоаднікових структур, що утворюють резистор.
Якщо мікросхема повинна містити резистори з досить високим опором (порядку декількох десятків килоом 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 колекторним шаром. Сполучені таким чином колекторний і емітерний шари можуть грати роль польових затворів, якщо на них подавати зворотне стосовно резистивном шару зсув. Аналогічну конструкцію має пинч-резистор, в якому резіс-нормативним шаром є колекторна область транзистора (Малюнок 1.3 б). Бодня з основних параметрів, що характеризують резистор, є опір квадрата площі резистивного шару РКВ. Пояснимо зміст 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, див.
Позначимо відношення p / d = p KB, отримавши таким чином зазначене параметр, вимірюваний в Ом / кв. Формула прийме вигляд,
R = p кв l / b (2.2)
Використання параметра питомої опору р кв припускає, 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 товщин?
Введемо поняття коефіцієнта форми резистора k ф - 1 / b, з урахуванням якого формула перетворюється 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 опору (R 2 - R 1) пов'язано зі зміною температури лінійною залежністю, 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 Березня
+ 10
50-250
2 * 10 -3
Колекторний шар
250 - 10 * 10 Березня
+ 10
200-300
5 * 10 -3
Стислі резистори
(5 - 500) * 10 Березня
+ 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; р-стислий резистор на основі базового шару; д-стислий резистор на основі колекторного шару.
Напівпровідникові резистори мають паразитної розподіленої ємністю, що є їх недоліком. Паразитна ємність може бути охарактеризована коефіцієнтом
(2.6)
де С кв - питома паразитна розподілена ємність квадрата резистивної смужки, пФ / кв;, р кв - опір квадрата резистивної смужки, кОм / кв; b - Ширина резистора, мкм. :
Значення коефіцієнта Кн для деяких варіантів резисторів наведені У таблиці.
До недоліків напівпровідникових резисторів відносяться також порівняно високий ТКС і залежність номінального опору від величини прикладеної до резистору напруги, що може модулювати площа поперечного перерізу резистивної смужки внаслідок польового ефекту. Крім того, в резисторах, ізольованих р-n-переходом, може виявлятися паразитний транзисторний ефект. Максимально допустима напруга залежить від характеристики шару, що утворює резистор, і визначається пробивним напругою р - л-переходу, що відокремлює резистивний шар від решти областей структури.
Використання іонної імплантації домішок дозволяє отримувати тонкі резистивні шари з високою питомою опором 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 розподілу домішок в даній частині шару.
Достоїнствами резисторів, виготовлених нанесенням на поверхню кристала ІМС металевих або полікристалічних кремнієвих плівок, є незалежність їхнього опору від величини напруги, поданого на резистор, а також менші паразитні ємності і ТКС у порівнянні з дифузійними або імплантованими резисторами. Металеві та полікремнієвої резистори також піддаються коригуванню шляхом пропускання через них електричного струму (щільність струму в імпульсі не менше 10 6 А / см 2) або обробки променем лазера. Зміна опору 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 полягає у визначенні їх геометричних розмірів з урахуванням профілю розподілу домішок у напівпровідникових шарах. Основними умовами, прийнятими до уваги при розрахунку, є забезпечення необхідної потужності розсіювання резистора і заданої похибки номінального опору. З одного боку, виходячи з умови заданої потужності розсіювання Р і допустимої питомої потужності Р о, можна висловити площу, 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 площа може бути виражена співвідношенням S = b 2 k ф. Таким чином, мінімальна ширина резистивної смужки, знайдена з умови розсіюваною потужності, визначається виразом
(2.7)
Максимально допустима питома розсіює потужність становить Ро = 8 Вт / мм 2 для дифузійних і імплантованих резисторів. Номінальна розсіює потужність напівпровідникових резисторів зазвичай не перевищує 10 мВт.
Вимоги, що пред'являються до допустимої похибки номінального значення опору резистора, також обмежують номінальну ширину резистивної смужки. Якщо задана допустима відносна похибка опору резистора уя - = AR / R, яка повинна забезпечуватися в інтервалі робочих температур мікросхеми протягом усього періоду експлуатації (у тому числі без електричного навантаження), то розрахунок резистора ведеться з урахуванням ТКС і зміни опору внаслідок процесів тимчасового старіння .
Відносне відхилення опору внаслідок зміни температури визначається як
(2.8)
Відносна зміна опору з-за процесів старіння-УЛТ доцільно враховувати тільки для полікремнієвих і металевих резисторів, оскільки їх плівкова полікристалічних структура більш чутлива до впливу навколишнього середовища, ніж монокристалічні шари дифузійних або імплантованих резисторів. Дані про величини y Rc? Є емпіричними довідковими параметрами.
Крім того, систематичне відхилення від номінального опору резистора вноситься опорами контактів. Опір контакту залежить від питомого опору матеріалу резистивного шару і умов розтікання струму в пріконтактной 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 резисторів: а-низькоомний 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 у процесі виготовлення. Виходячи з формули виразимо відносну технологічну похибка (середньоквадратичне відхилення прі. Нормальному законі статистичного розподілу) наступним чином:
(2.11)
Де , , - Відносні та абсолютні СКО відповідних величин.
Вважаючи, що абсолютні середньоквадратичні відхилення геометричних розмірів довжини і ширини рівні, тобто l ~ b, і з огляду на рівність l = bk ф, перетворимо формулу до вигляду
(2.12)
З останнього співвідношення може бути визначена мінімальна ширина резистивної смужки:
(2.13)
Для типових технологічних процесів виготовлення напівпровідникових ІМС можна приймати АЬ = 0,5 мкм і yp kb = 0> 05.
Отримані в результаті розрахунку за формулами значення ширини резистивної смужки повинні бути зіставлені з мінімальною шириною лінії, забезпечувана прийнятою технологією, тобто з роздільною здатністю технології, бтехн. Приймається максимальне з трьох отриманих значень

(2.14)
яке остаточно округлюється в більшу сторону.
Питомий опір квадрата площі резістівіого 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 трудомісткий.
Номограми дозволяють знайти усереднену питому об'ємну провідність про резистивного шару в залежності від поверхневої концентрації акцепторних домішок Ns а, концентрації донорних домішок у вихідному матеріалі (епітаксіальним шарі) N d 0 і відносини поточної координати х р - n-переходу (якщо він є), що обмежує резистивний шар зверху, до глибини р - n-переходу Xj, ​​що обмежує резистивний шар знизу. Наприклад, для резистора, зображеного на малюнку 2.1, а, це відношення x | x j = 0, оскільки резистивний шар починається безпосередньо 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 наведені У 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 у аналогових підсистемах ВІС і НВІС У логічних ІМС і ІМС для запам'ятовуючих пристроїв застосування резисторів постійно скорочується. Це пояснюється переходом до зниження робочих струмів і напруг, що веде до необхідності збільшення розмірів резисторів (довжини, займаної площі), тобто до збільшення розмірів ІМС. У мікросхемах із інжекційним харчуванням, зокрема, резистори як елементи ІМС виключені майже повністю.
За допомогою низькоомних резистивних шарів у напівпровідникових ІМС виконуються перетину струмопровідних доріжок межз'єднань (Малюнок 2.2). При цьому металева або полікремнієвої доріжка проходить поверх оксиду, в той час як низькоомних резистивна доріжка - під окислом.

ЛІТЕРАТУРА
1. Черняєв В.М. Технологія виробництва інтегральних мікросхем і мікропроцесорів. Підручник для вузів - М; Радіо і зв'язок, 2007 - 464 с: іл.
2. Технологія НВІС. У 2 кн. Пер. з англ. / Под ред. С. Зі, - М.: Світ, 2006.-786 с.
3. Готра З.Ю. Технологія мікроелектронних пристроїв. Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 2001.-528 с.
4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Плівкові струмопровідні системи СБІС.-Мн.: Виш.шк., 2003.-238 с.
5. Тару Я. Основи технології НВІС Пер. з англ. - М.: Радіо і зв'язок, 2005-480 с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
51.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Прецизійні високочастотні НВЧ високомегаомние і високовольтні резистори і резистори інтегральних
Методи розрахунку величини економічного зносу враховується при розрахунку вартості майнових комплексів
Методи розрахунку оподатковуваної бази
Види знижок і методи їх розрахунку
Методи розрахунку продуктивності праці
Методи розрахунку калькуляційних статей
Методи розрахунку цін в маркетингу
Методи розрахунку кіл постійного струму
Резистивні електричні схеми, методи їх розрахунку
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru