Расчет геометрических размеров резисторов и разработка топологии интегральных микросхем (стр. 4 из 5)
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.
Исходными данными для определения геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов являются:
а) заданные в принципиальной электрической схеме номинальное значение R и допуск на него yR =R/R;
б) поверхностное сопротивление легированного слоя Rs, на основе которого формируется резистор;
в) средняя мощность, рассеиваемая резистором Р, и максимально допустимая удельная мощность Р;
г) основные технологические и конструктивные ограничения. Сопротивление резистора R = RS l/b, где l и Ь — длина и ширина резистора.
Проектирование резистора с заданным номиналом сводится к определению конфигурации резистивного слоя, так как при известном поверхностном сопротивлении слоя Rs номинальное значения сопротивления резистора зависит от отношения его длины к ширине (коэффициента формы K = l/b). Контактные площадки, расположенные на концах полупроводникового резистора, вносят дополнительные сопротивления. Поэтому в расчетную формулу вводится поправочный коэффициент, зависящий от конфигурации контактных областей. На рис. 12 приведены' несколько типовых топологий полупроводниковых резисторов. Конфигурации, приведенные на рис. 12, а, б, пригодны для реализации низкоомных резисторов с номинальными значениями от нескольких ом до одного килоома. При этом оказывается, что для очень низкоомных резисторов ширина превышает его длину. Сопротивления резисторов, показанных на рис. 12, а, б, равны соответственно R=R(L\b+2K) R=R(L+L)
Для резисторов с номинальными значениями,, превышающими 400 Ом, можно использовать топологию, приведенную на рис. 12. Расчетное соотношение для определения сопротивления резистора в этом случае
R=R(L\b+2k)
Резисторам с номинальными значениями более 1 кОм целесообразно придавать форму змейки (рис. 12, г), что позволяет значительно уменьшить площадь, занимаемую резистором.
Рис. 12. Топологии диффузионных резисторов:
а. б — низкоомные до 1 кОм; в, г — свыше 400 Ом
Расчет геометрических размеров интегральных полупроводниковых резисторов начинают с определения их ширины. За ширину резистора принимают значение, которое не меньше наибольшего значения одной из следующих величин:
минимальной ширины резистора £тех, определявши разрешающей способностью технологических процессов
минимальной ширины резистора 6ТОчи, при которой точность его изготовления равна заданной;
минимальной ширины резистора ЬРопределяемой исходя из максимально допустимой рассеиваемой мощности:
абсолютные погрешности ширины и длины резистивной полоски (для типовых технологических процессов мкм); Кф—коэффициент формы, определяется из соотношения относительная погрешность коэффициента формы резистора:
Здесь относительная погрешность удельного поверхностного сопротивления легированного слоя, для типовых технологических процессов температурная погрешность сопротивления. Минимальное значение ширины определяется как где максимально допустимая удельная мощность рассеяния, выбираемая в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах,
Расчетную длину резистора определяют исходя из формул
Для составления топологического чертежа определяют вначале промежуточные значения ширины и длины резистора, учитывающие технологические отклонения размеров где погрешность, вносимая счет систематического растравления контактных окон в окисле для типовых технологических погрешность, вносимая за счет ухода базовой (эмиттерной) диффузии под окнсел в боковую сторону. Через Обозначен коэффициент, учитывающий распределенно примесей вблизи границы резистора, причем обычно. Для резисторов шириной более 10 мкм боковой диффузией можно пренебречь (а — 0). В более узких резистора боковая диффузии оказывает значительное влияние, поэтому в расчеты необходимо вводить соответствующую поправку.
Затем выбирают шаг координатной сетки и т. д., определяют топологические значения ширины и длины резистора;
где Целые положительные числа.
После этого оценивают получающуюся погрешность сопротивление, рассчитанное по
Если то ширину резистора увеличивают на величину и все вычисления повторяют.
3.3 Расчёт полупроводниковых резисторов
Все расчёты проводятся по упрощённой схеме с использованием табличных значений из справочника. Выбираем ширину базовой области для резистора:
1) Низкоомные резисторы с номиналом R ≤ 1 кОм имеют ширину базовой области В=30 мкм;
2) Высокоомные резисторы с номиналом от 1 кОм до 5 кОм(1кОм ≤R≤ 5кОм) выполняются с шириной базового слоя В=20 кОм;
3) Высокоомные резисторы с номиналом R>5 кОм выполняются с шириной базового слоя В=15 кОм
Таким образом достигаются воспроизводимость параметров резисторов в обьёие партии в следствии малого влияния боковой диффузии и погрешностей технологических операций.
Из справочных данных применяем следующие величины удельного поверхностного сопротивления ρs:
1) При 100 Ом ≤R≤ 300 Ом ρs= 120 Ом
2) При 300 Ом ≤R≤ 2,5 кОм ρs= 222 Ом
3) При 3 кОм ≤R≤ 4 кОм ρs= 320 Ом
4) При 5 кОм ≤R≤ 10 кОм ρs= 240 Ом
Составим таблицу значений (Таблица 2)
Значения для расчёта длинны резистора.
Таблица 2
| Позиция | R1 | R2 | R3 | R4 |
| Номинал | 2500 | 100 | 8000 | 2000 |
| Ширина диффузионной области в, мкм | 20 | 30 | 15 | 20 |
| Удельное поверхностное сопротивление, ρs, Ом | 222 | 120 | 240 | 222 |
Исходя из того, что коэффициент формы "n" можно представить двумя формулами:
n =
и n = 
Прировняем правые части этих уравнений:
= ,