Конденсаторы полупроводниковых имс

В полупроводниковых ИМС возможно применение двух ти­пов конденсаторов. Реализация первого типа основана на исполь­зовании свойств обратносмещенного p-n-перехода, а второго - на обычном использовании свойств какого-либо диэлектрическо­го материала.

Основная трудность при получении конденсаторов заключа­ется в обеспечении достаточно высоких значений удельной емко­сти. С этим связано существенное ограничение, затрудняющее использование обоих типов конденсаторов в полупроводниковых ИМС. Максимальное практически достижимое значение емкости лежит в пределах 100 - 200 пФ с допуском ± 20 %.

В настоящее время широкое применение находят конденса­торы на основе р-n-перехода. Наибольшее распространение это­го типа конденсаторов объясняется тем же, что и диффузионных резисторов, т.е. возможностью их формирования одновременно с получением диффузионных областей транзисторных структур. Для получения таких конденсаторов может использоваться емкость следующих обратносмещенных переходов: коллектор - подлож­ка, коллектор - база, эмиттер - база.

Кроме того, без дополнительных операций можно изготовить еще один конденсатор, если процесс разделительной диффузии примеси р - типа провести так, чтобы образовался р-n-переход в скрытом n⁺-слое. Удельная зарядная емкость зависит от закона распределения примесей вблизи технологической границы пере­хода и от величины приложенного напряжения. Для изоляции кон­денсатора от других элементов ИМС к подложке р-типа прикла­дывается наибольший отрицательный потенциал в схеме.

Удельная емкость С зависит от типа перехода. Следует отме­тить, что поверхностное сопротивление слоев нельзя задавать про­извольно, поскольку конденсаторы создаются одновременно с переходами транзистора. Поэтому удельное сопротивление слоев оптимизируют, исходя из требований, предъявляемых к транзис­тору. Емкость конденсатора обратно пропорциональна напряже­нию, приложенному к переходу. Максимальная емкость соответ­ствует нулевому смещению.

Вторым типом конденсатора, широко используемого в полу­проводниковых ИМС, является конденсатор с диэлектриком. Для изготовления таких конденсаторов не требуется проведения дополнительных технологических операций. Они создаются в еди­ном технологическом цикле с другими элементами ИМС. На рис.117 представлена эквивалентная схема конденсатора с диэлектри­ком. Элементы Д и С, являющиеся паразитными, вносятся р-n-переходом, предназначенным для изоляции конденсатора от других элементов ИМС. Последовательное сопротивление R в конденсаторах с диэлектриком (не более 5-10 Ом) значительно меньше, чем в диффузионных конденсаторах. Это объясняется тем, что нижней обкладкой конденсатора служит высоколегированный n⁺-слой. Следовательно, добротность конденсатора с диэлектриком также выше добротности диффузионного конденсатора.

Рисунок 117 – Структура комбинированного конденсатора

Для получения высоких номинальных значений емкости кон­денсатора (до 450 пФ) при малых занимаемых площадях применя­ют комбинированные конденсаторы. Структура комбинирован­ного конденсатора (рис. 117) представляет собой параллельное включение конденсатора с диэлектриком и четырех конденсато­ров на основе р-n-переходов (эмиттер - база, база - коллектор, разделительная область -коллектор, разделительная область - скрытый слой).

Таким образом, для выбора конкретной конструкции и типа конденсатора необходимо учитывать следующие факторы:

1. параметры конденсатора (удельная емкость, добротность, рабочее напряжение и др.);

2. временную и температурную зависимость емкости конден­сатора;

3. тип изоляции конденсатора;

4. степень совместимости технологического процесса изготовления конденсатора с технологическим процессом из­готовления активных элементов микросхемы;

5. стоимость изготовления.

Изоляция элементов ИМС

Основной тенденцией развития полупроводниковых ИМС явля­ется постоянное повышение их быстродействия, снижение потреб­ляемой мощности и увеличение степени интеграции. Повышение бы­стродействия и увеличение степени интеграции возможны за счет уменьшения ширины топологических зазоров между элементами ИМС, которая в большой степени зависит от способа изоляции.

В выпускаемых в настоящее время ИМС используют спосо­бы изоляции элементов обратносмещенным p-n переходом, ди­электриком и путем комбинации обратносмещенного p-n-перехода с диэлектрической изоляцией.

Изоляция элементов ИМС обратносмещенным р-n-переходом

Для этого способа изоляции характерны следующие разновид­ности:

1. диодная изоляция (обратносмещенным р-и-переходом, созданным методом разделительной диффузии);

2. коллекторная изолирующая диффузия (КИД);

3. базовая изолирующая диффузия (БИД);

4. метод трех фотошаблонов;

5. метод самоизоляции л-областью (метод двойной диффузии).

Изоляция обратносмещенным p-n-переходом, созданная методом разделительной диффузии

Достоинство этого наиболее распространенного способа изо­ляции (рис. 118) заключается в простоте и сравнительно малой стоимости изготовления ИМС. Однако он имеет ряд недостатков.

Рисунок 118 – Изоляция обратносмещенным р-п переходом

Самый большой недостаток структур с диодной изоляцией обусловлен наличием паразитных емкостей, ограничивающих бы­стродействие ИМС. Кроме того, при использовании такой изоля­ции большая часть площади кристалла занята изолирующими диффузионными областями. Это объясняется тем, что при проведении изолирующей диффузии примеси р-типа проникают в боковом направлении на расстояние, равное толщине эпитаксиального слоя, которая при стандартном методе диодной изоляции состав­ляет 7-10 мкм. Дальнейшее повышение плотности элементов и уменьшение паразитных емкостей были достигнуты с появлени­ем возможности наращивания эпитаксиальных слоев толщиной 1-3 мкм.

Коллекторная изолирующая диффузия

Данный способ основан на использовании кремниевых эпи­таксиальных структур со скрытыми слоями. Однако тонкий эпи-таксиальный слой (толщина 1 — 2 мкм) имеет проводимость р-типа, а не n-типа, как в случае создания ИМС с диодной изоляцией. Для изоляции элементов ИМС (рис. 119) проводят селективную диффу­зию донорной примеси через эпитаксиальный р-слой так, чтобы по периферии образовался контакт со скрытым слоем. Полученная диффузионная n⁺-область полностью окружает каждый участок скрытого слоя и является контактом к коллекторной области.

Рисунок 119 – Коллекторная изолирующая диффузия

Коллекторная изолирующая диффузия (КИД) позволяет со­кратить площадь элементов в 3 - 4 раза по сравнению со стандар­тным методом диодной изоляции.

С помощью КИД достаточно легко выполняются диффузион­ные перемычки, так как в этом случае не требуется изолирующая область. Кроме того, площадь, занимаемая диффузионной перемычкой, составляет лишь четверть площади, необходимой для со­здания такой же перемычки при диодном метоле изоляции.

Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером и сопротивление насыщения получаемого при этом транзистора, представляющие собой важнейшие параметры переключения, зна­чительно ниже соответствующих параметров транзистора с диод­ной изоляцией. При использовании КИД количество фотолито­графических операций уменьшается на одну по сравнению с технологией изготовления ИМС с диодной изоляцией. Это позво­ляет повысить процент выхода годных и уменьшить стоимость из­готовления ИМС.