Емкость гребенчатого конденсатора определяется по формуле
µ § (2.2.14)
где µ § - коэффициент, значение которого определяется из графи­ка Рисунок1.4,б; µ §- диэлектрическая проницаемость соответ­ственно материала подложки и окружающей среды; l - длина сов­местной границы двух проводников.

Для электрического соединения различных элементов микросхем и микросборок на подложке используют тонкопленочные проводники, которые должны быть выполнены из материалов с высокой проводи­мостью и адгезией к подложке. Конфигурацию таких проводников вы­бирают в виде полосок минимальной ширины, определяемой возмож­ностями технологии с учетом максимального тока, протекающего по этому проводнику. Допустимую величину плотности тока принимают j = 20 А/мм2. Технологический процесс получения микросхем зна­чительно упрощается, если для внутрисхемных соединений и контакт­ных площадок используют одинаковые Материалы. Наиболее подходя­щим для Проводников является алюминий, однако очень трудно обеспечить хорошее механическое и электрическое соединения с алюми­ниевой пленкой. Можно применять также такие материалы как сереб­ро и золото, однако это не всегда экономически оправдано. Все эти материалы, обладая высокой проводимостью, имеют сравнительно низкую адгезию к подложке. Поэтому зачастую используют двух- или, трехслойные пленочные структуры для межсоединений. Для достиже­ния высокой адгезии напыляют подслой из хрома или нихрома на под­ложки из ситалла, стекла, керамики или на межслойную изоляцию из монооксида кремния. Материал следующего слоя выбирают из условия хорошей проводимости и возможности подсоединения внешних выводов. Обычно для этих целей используют золото, никель, медь вакуумной плавки и алюминий. Иногда применяют трехслойные структуры.

Рисунок 2.4. Зависимости, характеризующие изменение поправочного коэффициента от конструктивных параметров пленочного конденсатора: а - для конденсатора, показанного на рисунке 1.3,6, б;

б - для конденсаторов, показанных на рисунке 1.3, д,е.

Контактирования внешних выводовподслой-нихром

слой - золото10-30

600-8000,03-0,04пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенный' нагревомподслой - нихром

слой - медь

покрытие - ни­кель10-30

600-800

50-600,02-0,04сварка импульсным косвен­ным нагревомподслой - нихром

покрытие - серебро10-30

400-1000

80-1000,02-0,04пайка микропаяльником или сдвоенным электро­дом, сварка импульсным косвенным нагревом или сдвоенным электродомподслой - нихром

слой - медь

покрытие - золото10-30

600-800

50-600,02-0,04пайка микропаяльником или сварка импульсным косвенным нагревомподслой - нихром

покрытие - никель40-50

250-350

500,-0,2пайка сдвоенным элект­родомВ конструкции тонкопленочной интегральной микросхемы часто один проводник пересекает другой. В месте пересечения проводники должны быть изолированы друг от друга тонкой пленкой диэлектрика. Каждое пересечение должно иметь сопротивление проводников не бо­лее 0,8 Ом/см, а емкость не более пФ. При выборе материала межслойной изоляции и прилегающих проводников необходимо учитывать совместимость материалов. Несовместимость может иметь место, на­пример, при использовании хрома для проводника и моноокиси крем­ния для изолятора. Хром будет диффундировать в моноокись кремния, снижая пробивное напряжёние. Может возникнуть и другое явление: гальвано-диффузионный эффект. Этот эффект появляется в структуpax металл-диэлектрик-металл, он увеличивает ток утечки в места пересечения проводников и разрушает проводники. Для изоляции про­водников в большинстве случаев применяют моноокись кремния и халькогенидное стекло.

Конструкции пленочных элементов индуктивности. Возможными конструктивными решениями пленочных

индуктивных элементов могут быть: линейчатая полоска (Рисунок 2.24, а); одновитковая круглая петля (Рисунок 2.24, б); одновитковая квадратная петля (Рисунок 2.24, в); многовитковая круглая спираль (Рисунок 2.24, г); многовитковая квадратная спираль (Рисунок 2.24, д).

Рисунок 2.5. Пленочные элементы индуктивности.

Формулы для расчета индуктивности. Ниже приводятся формулы для расчета индуктивности указанных выше конструкций элементов. Формулы эти полуэмпири­ческие и обеспечивают точность в несколько процентов. При пользовании ими следует учитывать следующее:

главным фактором, определяющим одновитковую пет­лю, является площадь, заключенная в плоскости петли;

для заданной площади круглая петля соответствует наименьшей длине проводника и, следовательно, наибо­лее высокой добротности ;

в многовитковой спирали, если связь между витками достаточно сильная, индуктивность растет пропорцио­нально квадрату числа витков;

в приводимых формулах все размеры даны в сантиметрах, индуктивность ЁC в микрогенри, логарифмы натуральные.

3 Резисторы и конденсаторы в «полупроводниковом» исполнении. Топологические решения. Методы расчета

На рисунке 3.1.1 изображены структуры конденсаторов полупровод­никовых микросхем, а В таблице 3.1.1 представлены ориентировочныезначения их параметров

.

Рисунок 3.1.1. Структуры конденсаторов

Поскольку профиль распределения концентрации примесей в вертикальных (боковых) плоскостях пленарных р ЎЄ n-переходов, полученных диффузией, значительно отличается от профиля рас­пределения в горизонтальной части р ЎЄ n -переходов и аналитичес­кий расчет его затруднителен, В таблице приводятся ориентиро­вочные значения параметров для обоих случаев. Полная емкость.

Таблица 3.1.1

конденсатора при использовании данных Таблица рассчитывается в соответствии с соотношением

(3.1.1)

где Согор, Соверт и Sгор Sверт ЎЄ удельные емкости и площади гори­зонтальных и вертикальных плоскостей р ЎЄ «-переходов.

(3.1.2)

Если в интервале температур (Т2ЎЄТ1) изменение емкости (С2 ЎЄ С1) связано с изменением температуры линейной зависи­мостью, то ТКЕ описывается формулой

(3.1.3)

Для конденсаторов на основе рЎЄпереходов при обратных на­пряжениях порядка нескольких вольт ТКЕ составляет величину ас = (2ЎЄ5) 104 1/град.

(3.1.4)

µ §

Где и µ §

ЎЄ диэлектрическая проницаемость и толщина диэлект­рической пленки.

Емкость области пространственного заряда в поверхностном слое полупроводника зависит от приложенного к МДП-конденсатору напряжения.

Если знак и величина приложенного напряжения таковы, что на поверхности полупроводника образуется слой, обогащенный ос­новными носителями заряда, полная удельная емкость определяет­ся удельной емкостью диэлектрика, т. е. С0=С0я. (Для структуры, изображенной на рисунке 3.1.1, д, это равенство будет выполняться при приложении к металлическому электроду, расположенному над окислом, достаточно большого по величине напряжения положи­тельного знака.)

При соответствующих знаке и достаточно большой величине при­ложенного напряжения в приповерхностном слое полупроводника под окислом может образоваться инверсионный слой, т. е. слой с обратной по отношению к нейтральному состоянию полупроводни­ка проводимостью. В условиях сильной инверсии удельная емкость пространственного заряда Сов постоянна и может быть рассчитана так же, как емкость pЎЄn перехода.

В условиях, промежуточных по отношению к описанным двум экстремальным случаям, полная удельная емкость МДП-конденсатора рассчитывается согласно соотношению
µ § (3.1.6)

где N ЎЄ концентрация примесей в полупроводнике; U ЎЄ приложен­ное напряжение.

Рассмотренная зависимость емкости МДП-конденсатора на частотах выше 100 Гц от напряжения (вольт-фарадная характерис­тика) иллюстрируется Рисунок 3.1.2. Как видно из рисунка, при отрица­тельных напряжениях на металлическом электроде (для полупро­водника р-типа) удельная емкость определяется емкостью окисла, при значительных положительных на­пряжениях ЎЄ емкостью простран­ственного заряда инверсионного слоя в полупроводнике, при проме­жуточных значениях напряжения она изменяется согласно соотношению (3.1.5).

Рисунок 3.1.2 Зависимость нормализо­ванной удельной емкости МДП-конденсатора от величины и зна­ка приложенного напряжения.

В качестве резисторов, т. е. пассивных элементов ИМС, пред­назначенных для использования их электрического сопротивления, применяются обычно слои полупроводника, создаваемые с помощью диффузии примесей одновременно с коллекторными или базовыми областями транзисторов. Области, создаваемые вместе с эмиттера­ми транзисторов, применяются для этой цели реже, так как они имеют слишком малое удельное сопротивление.

При использовании в технологическом процессе производства ИМС ионной имплантации примесей резисторы могут создаваться как одновременно с изготовлением областей транзистора, так и независимо. Кроме того, возможно применение резисторов, полу­ченных путем вакуумного напыления на поверхность полупровод­никового кристалла тонких пленок металлов или сплавов (в этом случае микросхемы называются совмещенными). В последнее вре­мя получили развитие резисторы из поликристаллического крем­ния, нанесенного на поверхность кристалла.

Структуры резисторов, получаемых путем диффузии примесей, показаны на рисунке 3.1.1. Там же схематично показано распределение концентрации примесей в слоях полупровоадниковых структур, об­разующих резистор.

Если микросхема должна содержать резисторы с достаточно высоким сопротивлением (порядка нескольких десятков килоом и более), то изготовляются так называемые сжатые резисторы (пинч-резисторы). В варианте пинч-резистора, изображенного на рисунке 3.1.1, г, в качестве резистивного слоя используется базовый, а эмит-терный слой полностью перекрывает резистивную полоску и в полупроводниковой структуре непосредственно контактирует с кол­лекторным слоем. Соединенные таким образом коллекторный и эмиттерный слои могут играть роль полевых затворов, если на них подавать обратное по отношению к резистивному слою смещение. Аналогичную конструкцию имеет пинч-резистор, в котором резис-тивным слоем является коллекторная область транзистора (Рисунок 3.1.3 б).бОдним из основных параметров, характеризующих резистор, является сопротивление квадрата площади резистивного слоя ркв. Поясним смысл этого параметра, используя известную формулу для расчета электрического сопротивления R:

R = pl/(bd) (3.2.1)

где р ЎЄ объемное удельное сопротивление, Ом-см; l ЎЄ длина, см;

bud ЎЄ размеры поперечного сечения (ширина и толщина) резистивного слоя, см.

Обозначим отношение p/d = pKB, получив таким образом указанный параметр, измеряемый в Ом/кв. Формула примет вид,

R=pквl/b (3.2.2)

Использование параметра удельного сопротивления ркв предполагает, что толщина d тонкого слоя или пленки фиксирована. Другими словами, сравнение удельных сопротивлений тонких слоев ] пленок может производиться по данному параметру исключительно при фиксированной (но не обязательно одинаковой) их толщин?

Введем понятие коэффициента формы резистора kф ЎЄ 1/b, с учетом которого формула преобразуется к виду

(3.2.3)

Другим важным параметром резистора является температурный коэффициент сопротивления (ТКС):

где Т ЎЄ температура.

Если в интервале температур (T2ЎЄT1) изменение сопротивле­ния (R2ЎЄR1) связано с изменением температуры линейной зави­симостью, то ТКС описывается формулой

(3.2.5)

Nbg

Погрешность, %

Удельное сопротивление, ркв, Ом/кв

ТКС, 1/град

Эмиттерный слой

2,5-103

2-6

Базовый слой

150 ЁC 20*103

+10

2*10-3

250 ЁC 10*103

+10

200-300

Сжатые резисторы

(5 ЁC 500)*103

+20

5*10-3

(3.2.6)

Значения коэффициента Кн для некоторых вариантов резисто­ров приведены В таблице.

К недостаткам полупроводниковых резисторов относятся так­же сравнительно высокий ТКС и зависимость номинального сопро­тивления от величины приложенного к резистору напряжения, которое может модулировать площадь поперечного сечения резистивной полоски вследствие полевого эффекта. Кроме того, в резисто­рах, изолированных р-n-переходом, может проявляться паразит­ный транзисторный эффект. Максимально допустимое напряжение зависит от характеристики слоя, образующего резистор, и опреде­ляется пробивным напряжением р ЎЄ л-перехода, отделяющего резистивный слой от остальных областей структуры.

Использование ионной имплантации примесей позволяет полу­чать тонкие резистивные слои с высоким удельным сопротивлени­ем ркв, а также ТКС, слабо изменяющимся в достаточно широком интервале температур. Применяя дополнительную селективную обработку резистивного слоя лучом лазера, можно корректировать сопротивление резистора за счет изменения профиля распределе­ния примесей в данной части слоя.

Достоинствами резисторов, изготовленных нанесением на по­верхность кристалла ИМС металлических или поликристалличес­ких кремниевых пленок, являются независимость их сопротивления от величины напряжения, поданного на резистор, а также меньшие паразитные емкости и ТКС по сравнению с диффузионными или имплантированными резисторами. Металлические и поликремние­вые резисторы также поддаются корректировке путем пропускания через них электрического тока (плотность тока в импульсе не ме­нее 106 А/см2) или обработки лучом лазера. Изменение сопротив­ления при этом происходит вследствие изменений кристаллической: структуры пленок (размеров зерен, перераспределения примесей и т. п.).

Коэффициент паразитной емкости резисторов Таблица 3.2.2

р=1 Ом-смр=6 Ом-смр=10 Ом-смБазовый слой Сжатые резисторы на основе:

базового слоя коллекторного слоя1*10-3

2,7*10-5

1,6*10-3

2,8*10-5

(3.2.7)

Требования, предъявляемые к допустимой погрешности номи­нального значения сопротивления резистора, также ограничивают номинальную ширину резистивной полоски. Если задана допусти­мая относительная погрешность сопротивления резистора уя ЎЄ = AR/R, которая должна обеспечиваться в интервале рабочих темпе­ратур микросхемы в течение всего периода эксплуатации (в том числе без электрической нагрузки), то расчет резистора ведется с учетом ТКС и изменения сопротивления вследствие процессов вре­менного старения.

Относительное отклонение сопротивления вследствие измене­ния температуры определяется как
µ § (3.2.8)
Относительное изменение сопротивления из-за процессов ста­рения -улт целесообразно учитывать только для поликремниевых и металлических резисторов, поскольку их пленочная поликристал­лическая структура более чувствительна к воздействию окружаю­щей среды, чем монокристаллические слои диффузионных или им­плантированных резисторов. Данные о величинах yRc? являются эмпирическими справочными параметрами.

Кроме того, систематическое отклонение от номинального со­противления резистора вносится сопротивлениями контактов. Сопротивление контакта зависит от удельного сопротивления материа­ла резистивного слоя и условий растекания тока в приконтактной области: Rконт = рквkраст, где коэффициент растекания kраст= 0,14 для резистора с топологией, изображенной на рисунке 3.2.2, а, и Краст = 0,65 ЎЄ на рисунке 3.2.2, б.

Рисунок 3.2.2. Топологические конфигурации полупроводниковых рези­сторов: аЎЄнизкоомный резистор; бЎЄвысокоомный резистор.
Относительное изменение сопротивления резистора вследствие наличия двух контактов составит
µ §(3.2.9)

Принимая во внимание указанные систематические отклонения сопротивления резистора от заданного, найдем расчетное значение допустимой относительной погрешности:

µ §(3.2.10)

Полученное значение µ §Rрасч может быть положено в основу дальнейшего расчета резистора с учетом случайных отклонений сопротивления, возникающих в процессе изготовления. Исходя из формулы выразим относительную технологическую погреш­ность (среднеквадратичное отклонение при. нормальном законе статистического распределения) следующим образом:

(3.2.11)

Где µ §, µ §, µ § - относительные и абсолютные СКО соответствующих величин.

Полагая, что абсолютные среднеквадратичные отклонения гео­метрических размеров длины и ширины равны, т. е. µ §l~µ §b, и учитывая равенство l=bkф, преобразуем формулу к виду
(3.2.12)

Из последнего соотношения может быть определена минималь­ная ширина резистивной полоски:

(3.2.13)

Для типовых технологических процессов изготовления полу­проводниковых ИМС можно принимать АЬ = 0,5 мкм и ypkb=0>05.

Полученные в результате расчета по формулам значения ширины резистивной полоски должны быть сопоставлены с минимальной шириной линии, обеспечиваемой принятой техноло­гией, т. е. с разрешающей способностью технологии, бтехн. Прини­мается максимальное из трех полученных значений

(3.2.14)

Удельное сопротивление квадрата площади резистивиого слоя зависит от толщины слоя и структуры резистора. Резистивный слой может быть ограничен одним (Рисунок 3.2.1, а ЎЄ в) или двумя (Рисунок 3.3, г) р ЎЄ n-переходами. Поскольку примесь в полученном диффузией резистивном слое распределена неравномерно, расчет удельного объемного сопротивления материала слоя трудо­емок. Поэтому целесообразно пользоваться номограммами, представленными на рисунке 3.5. «к

Номограммы позволяют найти усредненную удельную объем­ную проводимость о резистивного слоя в зависимости от поверхно­стной концентрации акцепторных примесей Nsа, концентрации донорных примесей в исходном материале (эпитаксиальном слое) Nd0 и отношения текущей координаты х рЎЄn-перехода (если он имеется), ограничивающего резистивный слой сверху, к глубине р ЎЄ n -перехода Xj, ограничивающего резистивный слой снизу. Например, для резистора, изображенного на рисунке 3.2.1, а, это отно­шение x|xj = 0, поскольку резистивный слой начинается непосред­ственно на поверхности кристалла.

Таким образом, удельное сопротивление квадрата резистивного слоя

µ § (3.2.15)

где dрез = xj ЎЄ х ЎЄ толщина резистивного слоя.

Типичные значения ркв для резисторов на основе различных слоев полупроводниковой транзисторной структуры приведены В таблице.

Рисунок 3.2.3. Номограммы для определения проводимости полупроводниковых областей, полученных диффузией акцепторной примеси, в материал с различной исходной концентрацией донорной примеси Nd:

Рисунок 3.2.4. Использование диффузионных областей для создания пересечений дорожек металлизации в микросхе­мах:

аЎЄс изоляцией рЎЄn-переходом; бЎЄс диэлектрической

изоляцией.

С помощью низкоомных резистивных слоев в полупроводнико­вых ИМС выполняются пересечения токопроводящих дорожек межсоединений (Рисунок 3.2.2). При этом металлическая или поликремние­вая дорожка проходит поверх окисла, в то время как низкоомная резистивная дорожка ЎЄ под окислом.

4. Конструкционная основа для ИС

Подложкой называется основание в виде заготовки, предназна­ченной для расположения на ней пленочных элементов, навесных компонентов, межэлементных или межкомпонентных соединений и контактных площадок гибридных микросхем. Часть подложки, на которой располагается одна микросхема, называется платой. Под­ложка является важным конструктивным элементом ГИС, БГИС и МСБ, в значительной мере определяющим электрические и механи­ческие характеристики микросхем, их стабильность и надежность. Подложка должна обладать высокими электрическим сопротивле­нием и электрической прочностью, обеспечивать малые потери энергии на высоких частотах (малый тангенс угла диэлектрических потерь), иметь высокую механическую прочность при малой толщи­не, хорошую теплопроводность, а также обеспечивать возможность проведения технологических процессов, т. е. обработки поверхности до высокого класса чистоты, нагревания до температуры 500ЎЄ600 °С при напылении пленок и т. д.