Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Реферат - Пассивные элементы полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем - файл 1.doc


Реферат - Пассивные элементы полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем
скачать (317.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc318kb.13.12.2011 00:11скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ ВПО ИГУ)

РЕФЕРАТ

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ


Иркутск 2008

Содержание
Введение…….………………………………………………...……………… 3

  1. Краткое описание полупроводниковых и гибридных микросхем…………………….……………………………………………...………. 4

  2. Резисторы...………………………………………………………………. 13

2.1 Диффузионные резисторы...........………...………….…...……... 13

2.2. Пинч-резисторы…...………………….... ...……………............... 17

2.3. Эпитаксиальные резисторы………………………….……..….. 11

2.4. Эпитаксиальные пинч-резисторы……………………………... 11

2.5. Ионно-легированные резисторы………………........................... 21

2.6. Пленочные резисторы…………………………………….…….. 22

3. Конденсаторы......................................…………………………………… 22

3.1. Диффузионные конденсаторы…………………………………. 11

3.2. МДП – конденсаторы…………………………………………... 11

Список литературы…………………...........………………………………. 14

Введение
Применение интегральных микросхем (ИМС) позволяет не только уменьшить размеры радиоэлектронных аппаратуры (РЭА), но и упростить процесс ее создания. Первая интегральная полупроводниковая монолитная микросхема была изготовлена в 1958 году Дж. С. Килби (лауреат Нобелевской премии 2000 г.). Она показана на рисунке ниже.


Рис.1. Первая ИМС
ИМС обычно является законченным электронным узлом определенного функционального назначения, соответствующие активные и пассивные элементы и компоненты которого выполнены групповым методом с использованием определенных технологических приемов.

Рассмотрим некоторые особенности пассивных элементов, обусловленные технологией изготовления.



  1. ^ Краткое описание полупроводниковых и гибридных микросхем


ИМС - интегральная микросхема, где все элементы нераздельно связаны между собой, и схема рассматривается как единое целое.

Элементом называют часть ИМС, в которой реализуется функция какого-либо радиоэлемента и которую нельзя отделить от схемы и рассматривать как самостоятельное изделие. Элементы формируются на полупроводниковой пластине в едином технологическом процессе.

Компонентом ИМС, называется независимая от нее часть, которую устанавливают в процессе монтажных операций.

Характеристика ИМС:

1. Все элементы изготавливают в едином технологическом процессе, цикле.

2. Отдельные элементы не имеют собственных границ.

3. Интегральные элементы выполняют функции различных элементов схемы.

4. Любая ИМС может быть описана принципиальной электронной схемой.

Сложность ИМС оценивают степенью интеграции, определяемой коэффициентом n = lgN, значение которого округляется до ближайшего большего целого числа, где N - число элементов и компонентов, входящих в ИМС.

По сложности ИМС делятся на:

1. простые ИМС, где n: 1...3 - ИС;

2. БИС - большие интегральные микросхемы, где n: 3...5;

3. СБИС - сверхбольшие интегральные микросхемы, где n: 6...7.

По способу изготовления и получаемой при этом структуре ИМС подразделяются на:

1. полупроводниковые (в них все элементы и межэлементые соединения выполняются в объеме и на поверхности полупроводниковой пластины);

2. гибридные (в них пассивные элементы выполняются в виде пленок на поверхности диэлектрической подложки, а активные элементы реализуются в виде навесных компонентов).

По способу нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины:

1) Тонкопленочные (меньше 1 мкм).

2) Толстопленочные (20-40 мкм).

По функциональному назначению:

1) Аналоговые (для обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции);

2) Цифровые (для сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции).

В полупроводниковых ИМС основными элементами служат биполярные и полевые транзисторы, в качестве которых используют МДП с индуцированным каналом, поэтому различают биполярные ИМС и МДП-ИМС. Элементы биполярной ИМС изолированы друг от друга, чтобы не было паразитного взаимодействия.

В гибридную ИМС могут входить транзисторы, диоды и т.п. Пассивные элементы изготавливают в них на ситаловой, керамической или стеклянной подложке - нанесением пленок, межэлементным соединением и контактные площадки.

Применение:

1) аналоговых ИМС: усилительные каскады в основе, усилители, стабилизаторы U и I, преобразователи частот, фаз, длительности, генераторы синусоидальных сигналов.

2) цифровые: логические схемы, триггерные устройства, в обработки дискретной информации ЭВМ, системах автоматики и т.п.

Полупроводниковые (п/п) ИМС изготавливают из особо чистых п/п материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решётку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Маленькая пластинка из кристаллического материала размерами ~1 превращается в сложнейший электронный прибор, эквивалентный радиотехническому блоку из 50-100 и более обычных деталей. Он способен усиливать или генерировать сигналы и выполнять многие другие радиотехнические функции.

Технология изготовления п/п ИМС обеспечивает одновременную групповую обработку сразу большого количества схем. Это определяет в значительной степени идентичность схем по характеристикам. п/п ИМС. имеют высокую надёжность за счёт использования планарного процесса изготовления и значительного сокращения числа микросоединений элементов в процессе создания схем.

П/п ИМС развиваются в направлении всё большей концентрации элементов в одном и том же объёме п/п кристалла, т. е. в направлении повышения степени интеграции ИМС. Разработаны ИМС, содержащие в одном кристалле сотни и тысячи элементов. В этом случае ИМС превращается в большую интегральную систему (БИС), которую невозможно разрабатывать и изготовлять без использования электронных вычислительных машин высокой производительности.

Плёночные ИМС создаются путём осаждения при низком давлении (порядка 1 10-5 мм рт. ст.) различных материалов в виде тонких (толщиною < 1 мкм) или толстых (толщиной > 1 мкм) плёнок на нагретую до определённой температуры полированную подложку (обычно из керамики). В качестве материалов применяют алюминий, золото, титан, нихром, окись тантала, моноокись кремния, титанат бария, окись олова и др. Для получения ИМС с определёнными функциями создаются тонкоплёночные многослойные структуры осаждением на подложку через различные маски (трафареты) материалов с необходимыми свойствами. В таких структурах один из слоев содержит микрорезисторы, другой - микроконденсаторы, несколько следующих - соединительные проводники тока и другие элементы. Все элементы в слоях имеют между собой связи, характерные для конкретных радиотехнических устройств.

Плёночные элементы распространены в гибридных ИМС. В этих схемах на подложку сначала наносятся в виде тонких или толстых плёнок пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, проводники тока), а затем с помощью микроманипуляторов монтируют активные элементы - бескорпусные ПП микроэлементы (транзисторы и диоды).

По своим конструктивным и электрическим характеристикам п/п и гибридные ИМС дополняют друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же радиоэлектронных комплексах. В целях защиты от внешних воздействий ИМС выпускают в защитных корпусах.

Размеры отдельных элементов И. с. очень малы (порядка 0,5-10 мкм) и подчас соизмеримы с размерами пылинок (1-100 мкм). Поэтому производство И. с. осуществляется в особо чистых условиях

Создание ИМС развивается по нескольким направлениям: гибридные ИМС с дискретными активными элементами; п/п ИМС, выполненные в монолитном блоке п/п материала; совмещенные ИМС, в которых активные элементы выполнены в монолитном блоке п/п материала, а пассивные элементы нанесены в виде тонких плёнок; плёночные ИМС, в которых активные и пассивные элементы нанесены на подложку в виде тонких плёнок.

2. Резисторы
Резисторы ИМС формируют в любом из диффузионных слоев транзисторной структуры (эмиттерная и базовая области), в эпитаксиальном слое (коллекторная область) и с помощью ионного легирования.

Существуют две разновидности резисторов: интегральные и пленочные.
^ 2.1 Диффузионные резисторы
Относятся к интегральным резисторам. Диффузионные резисторы (ДР) изготовляют одновременно с базовой или эмиттерной областью.


Рис.2. Диффузионный резистор
Сопротивление ДР представляет собой объемное сопротивление участка диффузионного слоя, ограниченного p-n-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). При создании ИМС параметры диффузионных слоев оптимизируют с целью получения наилучших характеристик транзисторов типа n-p-n, поэтому параметры ДР улучшают не варьированием технологических режимов, а выбором конфигурации и геометрических размеров резистора. Низкоомные (десятки ом) резисторы 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 имеют однополосковую конструкцию. Здесь длина и ширина приконтактной области равны ширине резистора. Более высокоомные резисторы (до 60 кОм) имеют форму меандра (змейки) или изготовляются в донной части базовой области (пинч-резисторы). Длина однополоскового диффузионного резистора не может превышать размеров активной области кристалла (1 – 0,5 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 р-n-перехода). Типичные значения сопротивления диффузионных резисторов, которые можно получить при данном значении , лежат в диапазоне 4 < R < 104 . 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).

Таблица1.

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

Ширина резистора,

мкм

Точность воспро-

изведения номинала

сопротивления, %

Точность отношения

сопротивлений, %

1:1

1:5

7

±15

±2

±5

25

±8

±0,5

±1,5


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). Аналогично, температурный коэффициент отношения сопротивлений мал по сравнению с ТКR для отдельного резистора [(1,5—3)·10-4 1/°С]. Эту особенность диффузионных резисторов учитывают при разработке полупроводниковых ИМС.

На основе эмиттерной области формируются резисторы небольших номиналов [3—100 Ом с TKR = (1 - 2)·10-4 1/°С], поскольку значение эмиттерного слоя невелико.
2.2. Пинч-резисторы
Относятся к интегральным резисторам. 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. Максимальное сопротивление таких резисторов составляет 200 - 300 кОм при простейшей полосковой конфигурации, =2 - 5 кОм/см. Пинч-резисторы имеют большой разброс номиналов (до 50%) из-за трудностей получения точных значений толщины донной части р - слоя, большого ТКR = (3 - 5) · 10-3 1/°С вследствие меньшей степени легирования донной части. У пинч-резистора n+- и р - слои закорочены металлизацией 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 ВАХ только до напряжений 1 - 1,5 В, его пробивное напряжение равно 5 - 7 В.
^ 2.3. Эпитаксиальные резисторы
Относятся к интегральным резисторам. Из трех областей транзистора коллекторная область имеет наименьшую концентрацию легирующей примеси и максимальное значение (500 -5000 Ом/см). Поскольку эпитаксиальный слой легирован однородно, проводимость эпитаксиального резистора (ЭР) постоянна по всему его сечению в отличие от ДР. У ЭР 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 сводит на нет это преимущество. Эпитаксиальные резисторы имеют высокое напряжение пробоя (> 100 В) и большой TKR, поскольку коллекторная область легирована слабо.
^ 2.4. Эпитаксиальные пинч-резисторы
Относятся к интегральным резисторам. 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/см) и номиналы сопротивления при одной и той же площади. Пробивное напряжение этих резисторов определяется пробивным напряжением Uкб (см. табл. 2), TKR = 4·10-3 1/°C.
^ 2.5. Ионно – легированные резисторы
Относятся к интегральным резисторам. 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. 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/см. 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 - облаети, которые создают на стадии базовой или эмиттерной диффузии.

Типичные характеристики интегральных резисторов приведены в табл. 2.


Таблица 2

Характеристики интегральных резисторов


Тип резистора

Толщина

слоя, мкм

Поверхност-

ное сопро-

тивление

ρs, Ом/ڤ

Допуск, %

TKR (αR), 1/°C

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-легиро-ванный резистор n-типа

0,1- 0,2

(5 - 10)·102

±50

±(1,5 - 5)·10-3

200 – 350

 

^ 2.6. Пленочные 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. 3), наиболее распространенная форма - полосковая. Тонкопленочные резисторы располагают на гладкой поверхности защитного диэлектрика (обычно стекло или SiO2), не содержащей ступенек.
Таблица 3

Характеристнки тонкопленочных резисторов совмещенных ИМС

Материал

ρs, Ом/см

TKR (αR)·10-4, 1/°C

Допуск, %

Разброс отношения сопротивлений, %

Нихром

40 – 400

1

±5

±1

Тантал

200 – 5000

1

±5

±1

Пленка SiO2

80 – 4000

0 – 15

±8

±2

3. Конденсаторы
В интегральных полупроводниковых конденсаторах роль диэлектрика могут выполнять обедненные слои обратно смещенных р-n-переходов или пленка окисла кремния, роль обкладок - легированные полупроводниковые области или напыленные металлические пленки. Характеристики конденсаторов полупроводниковых ИМС невысоки. Кроме того, для получения сравнительно больших емкостей необходима значительная площадь схемы. Поэтому при проектировании электрической схемы полупроводниковой ИМС стремятся избегать применения конденсаторов.
^ 3.1. Диффузионные конденсаторы
В ИМС для формирования диффузионных конденсаторов (ДК) может быть использован любой из р-n-переходов: коллектор - подложка (C1), база - коллектор (С2), эмиттер - база (С3), переход р - области изолирующей диффузии и скрытого n+-слоя (С4). Варианты C1 и С4 не могут быть реализованы в ИМС с диэлектрической изоляцией.


Рис.3. Горизонтальный биполярный транзистор


Эмиттер - база

Коллектор - подложка

Коллектор - база







Рис.4. Конденсаторы на основе p – n переходов транзистора
В близкой к реальной полупроводниковой структуре с удельным сопротивлением подложки 10 Ом·см, сопротивлением слоя базы 200 Ом/см и сопротивлением слоя эмиттера 2 Ом/см при глубинах р-n-переходов эмиттер - база 2, 3 мкм, база - коллектор 2,7 мкм и коллектор - подложка 12,5 мкм р-n-переходы, используемые для формирования ДК, имеют такие характеристики:

·        удельную емкость дна р-n-перехода коллектор - подложка 100 пФ/мм2, а боковой стенки 250 пФ/мм2; пробивное напряжение перехода до 100 В;

·        удельную емкость р-n-перехода база - коллектор 350 пФ/мм2, a его пробивное напряжение 30 - 70 В;

·        удельную емкость дна р-n-перехода эмиттер - база 600 пФ/мм2, а боковой стенки 1000 пФ/мм2, пробивное напряжение перехода 7 В.

Самую большую удельную емкость (более 1000 пФ/мм2) имеет р-n-переход. область изолирующей р - диффузии - подколлекторный n+-слой, его пробивное напряжение 10 В. ТКС конденсаторов на этом переходе сравнительно большой (2·10-4 1/°С).

Поскольку ширина обедненного слоя обратно смещенного перехода зависит от напряжения, емкость ДК также изменяется с изменением напряжения. Удельную емкость любого полупроводникового перехода можно аппроксимировать формулой C0=К(1/U)m, где К —коэффициент пропорциональности, зависящий от уровня легирования полупроводниковых областей; m - показатель: mÎ [1/3; 1/2], причем m=1/2 соответствует ступенчатому, а m=1/3 - линейному переходу. Остальные значения т, входящие в указанное множество, соответствуют реальным распределениям примеси, в том числе гауссову и по функции ошибок.

В табл. 4 даны значения удельной емкости переходов интегрального транзистора со скрытым слоем и без него, с подложкой р - типа (ρs = 5 Ом·см), гауссовым распределением примеси в базе (ширина 0,7 мкм) и распределением примеси по функции ошибок в эмиттере.
Таблица 4

Значения удельной емкости переходов интегрального транзистора

U, В

Сэб, пФ/мм2

Сбк, пФ/мм2

Скп, (с n+-слоем),

пФ/мм2

Скп (без n+ слоя), пФ/мм2

0

1400

300

260

190

5

1000

120

90

60

10

-

90

55

40

 

Эмиттерный переход обладает наибольшей удельной емкостью, но малыми напряжением пробоя и добротностью. Базовый переход используется для формирования ДК наиболее часто. Параметры диффузионных конденсаторов на этих переходах приведены в табл.5. Значения максимальной емкости даны ориентировочно в предположении, что площадь всех конденсаторов ИМС не превьшает 20 - 25% площади кристалла. Недостатком ДК является необходимость обеспечения строго определенной полярности, так как условием их нормальной работы является обратное смещение р-n-перехода.
Таблица 5

Параметры интегральных конденсаторов

 

Тип

конденсатора

Удельная

емкость

С0, пФ/мм

Максимальн. емкость,

Сmax, пФ

Допуск

d , %

TKС×

С)·10-3,

1/°C

Пробивное

напряже-

ние, Uпр, В

Добро-тность*

 

ДК

на переходах:

Б-К

Э-Б

К-П



150(350)**

600(1000)**

100(250)**



300

1200

-



± 15¸ 20

± 20

± 15¸ 20



-1,0

-1,0

-



30-70

7-8

35-70



50-100

1-20

-

МДП с диэлектриком:

SiO2

Si3N4

400-600

800-1600

500

1200

± 20

± 20

0,015

0,01

30-50

50

25-80

20-100

Тонкопленочные с диэлектриком:

SiO2

Si3N4

500-800

3000-5500

650

4500

± 20

± 20

± 3

2-5

20-40

20

10-100

10-100


* Для ДК на частоте 1 МГц, для МДП и тонкопленочных конденсаторов на частоте 10 МГц.

** В скобках указаны значения Со для вертикальных (боковых) стенок р-n-перехода.
^ 3.2. МДП – конденсаторы
Нижней обкладкой служит эмиттерный n+-слой, верхней — пленка Аl, диэлектриком - тонкие слои SiO2 или Si3N4. Последний предпочтителен вследствие большей емкости С0 (диэлектрическая проницаемость ε нитрида выше, чем окисла кремния), но SiO2 более доступен. Толщина диэлектрика составляет 0,05 - 0,12 мкм. Параметры МДП - конденсаторов приведены в табл. 5. Недостатком МДП - конденсаторов в составе биполярных ИМС является необходимость введения дополнительной операции создания тонкого диэлектрика и еще одной фотолитографии.


МОП конденсатор

Тонкопленочный конденсатор





Рис.5. МОП конденсатор и тонкопленочный конденсатор

Список литературы


  1. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб.: Лань. – 2006. – 479 с.

  2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа. – 1991. - 622 с.

  3. Герасимов В.Г, Князьков О.М., Краснопольский А.Е., Сухоруков В.В. Основы промышленной электроники. М.: Высшая школа. – 1986. - 366 с.

  4. http://brainfucker.by.ru/rk_4/50.htm

  5. Ивашенков О.Н. Схемотехника интегральных микросхем/ http://dssp.karelia.ru/~ivash/ims/INDEX.HTM



Скачать файл (317.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru