Как уже отмечалось, возможность осуществлять катушки индуктив- ности методами микроэлектроники является одним из достоинств пленочной технологии. Такие катушки представляют собой плоские спирали, обычно прямоугольной конфигурации (рисунок 5.4). Для уменьшения сопротивления в качестве материала используется золото. Ширина металлической полоски составляет 30-50 мкм, просвет между витками 50-100 мкм. При таких.
геометрических размерах удельная индуктивность лежит в диапазоне 10-20 нГн/мм2, т. е. на площади 25 мм2 можно получить индуктивность 250-500 нГн.
Добротность катушек индуктивности, например, на частоте 100 МГц может иметь значение Q³ 50. В отличие от добротности конденсатора добротность катушки возрастает с увеличением частоты. Поэтому пленочные катушки могутуспешно работать в диапазоне
Рисунок 5.4сверхвысоких частот
(СВЧ), при частотах 3-5 ГГц. При этом число витков составляет 3-5.
В связи с разработкой микроминиатюрных проволочных катушек применение пленочных катушек, особенно на частотах менее 50 - 100МГц ограничивается и предпочтение, как и в случае конденсаторов, отдается навесным компонентам.
Структура и конфигурация типичного пленочного конденсатора показаны на рисунке 5.3. Емкость конденсатора определяется по формуле
С= С0×S, гдеС0 – удельная емкость конденсатора зависит от материала диэлектрика и толщины пленки, S- площадь конденсатора. Толщина диэлектрической пленки d существенно зависит от технологии: для тонких пленок d = 0,1 - 0,2 мкм, для толстых d = 10 - 20 мкм. Поэтому при прочих равных условиях удельная емкость С0 толстопленочных конденсаторов меньше, чем тонкопленочных. Однако различие в толщине диэлектрикаможеткомпенсироваться благодаряразличию диэлектрических проницаемостей материалов.
При выборе диэлектрика для высокочастотных конденсаторов (как тонко-, так и толстопленоч- ных) приходится дополнительно учитывать потери энергии в диэлектрике. Что касается омических потерь в обкладках пленочных конденсаторов, то они гораздо меньше, чем у полупроводниковых конденсаторов, потому что в качестве обкладок используются металлические слои с высокой проводимостьюпоэтому добротность таких конденсаторов высокая иможет достигать Q=100.
Рисунок 5.3
В таблице 5.3 приведены типичные параметры пленочных конденсаторов. Из таблицы можно сделатьследующие общие выводы:
- удельные емкости пленочных конденсаторов (при надлежащем выборе диэлектрика) в несколько раз превышают удельную емкость МОП-конденсаторов и тем более диффузионных конденсаторов;
- максимальные емкости пленочных конденсаторов могут быть на несколько порядков больше, чем емкости полупроводниковых конденсаторов, главным образом благодаря большей площади (поскольку площадь подложек ГИМС значительно превышает площадь кристаллов полупроводниковых ИС).
Для высокочастотных тонкопленочных конденсаторов оптимальным диэлектриком является моноокись кремния, а также моноокись германия.
Следует заметить,что в последнее время, в связи с наличием миниатюрных дискретных конденсаторов (в том числе с весьма большой емкостью - до нескольких микрофарад), наблюдается тенденция к отказуот пленочныхконденсаторов и замене их навесными конденсаторами.
Структура и конфигурации пленочного резистора показаны на рисунке 5.2.Как видим, в общем случае конфигурация пленочного резистора такая же, как диффузионного (рисунок 4.17). Она может быть полосковой (рисунок 5.2б) или зигзагообразной (рисунок 5.2в).
Расчет сопротивления можно проводить по формулеR=RS×KФ, гдеRS - удельное сопротивление слоя зависит от его толщины и материала и KФ =l/b- коэффициент формы. Коэффициент формы лежит в пределах 0,1 – 50.
Типичные значения RS и удельной мощности рассеивания Р0 приведены в таблице 5.2.
Разброс значений сопротивлений составляет: без подгонки ±5%, а с подгонкой - ±0,05%, ТКС -0,25×10-4/°С.
Из выше сказанного можно сделать следующиевыводы:
- диапазон сопротивлений пленочных резисторов несравненно шире,чемполупроводниковых (диффузионных и ионно-легированных);
- тонкопленочнаятехнологияобеспечиваетболеевысокую точность и стабильность резисторов;
следовательно, возможность такой подгонки является важным преимуществом пленочных резисторов;
Подгонку резисторов можно осуществлять разными способами. Простейший, исторически первый способ состоит в частичном механическом соскабливании резистивного слоя до того, как поверхность ИС защищается тем или иным покрытием. Более совершенными являются методы частичного удаления слоя с помощью электрической искры, электронного или лазерного луча. Разумеется, все эти способы позволяют только увеличивать сопротивление резистора. Наиболее совершенный и гибкий метод состоит в пропускании через резистор достаточно большого тока.При токовой подгонке одновременно идут два процесса: окисление поверхности резистивного слоя и упорядочение его мелкозернистой структуры. Первый процесс способствует увеличению, а второй - уменьшению сопротивления. Подбирая силу тока и атмосферу, в которой ведется подгонка, можно обеспечить изменение сопротивления и в ту, и в другую сторону на ±30% с погрешностью (по отношению к желательному номиналу) до долей процента.
Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания транзисторных структур и на их основе других элементов. Однако за последнее время широкое распространение получил и другой способ легирования - ионная имплантация.
3.5.1 Способы диффузии. Диффузия может быть общей и локальной. В первом случае она осуществляется по всей поверхности пластины (рисунок 3.4а), а во втором - на определенных участках пластины через окна в маске, например, в толстом слое SiO2 (рисунок 3.4б).
Общая диффузия приводит к образованию в пластине тонкого диффузионного слоя, который отличается от эпитаксиального неоднородным (по глубине) распределением примеси (см. кривые N(x)на рисунках 3.6а и б).
В случае локальнойдиффузии (рисунок 3.4б) примесь распространяется не только в глубь пластины, но и во всех перпендикулярных направлениях, т. е. под маску. В результате этой так называемой боковой диффузииучасток р-n перехода, выходящий на поверхность, оказывается «автоматически» защищенным окислом. Соотношение между глубинами боковой и основной -
«вертикальной» диффузии зависит от ряда факторов, в том числе от глубины диффузионного слоя. Типичным для глубины боковой диффузии можно считать значение 0,8×L.
Диффузию можно проводить однократно и многократно. Например, в исходную пластину n-типа можно во время 1-й диффузиивнедрить акцеп- торную примесь и получить р-слой, а затем во время 2-й диффузии внедрить в полученный р-слой (на меньшую глубину) донорную примесь и тем самым обеспечить трехслойную структуру. Соответственно различают двойную и тройную диффузию (см раздел 4.2).
При проведении многократной диффузии следует иметь в виду, что концентрация каждой новой вводимой примеси должна превышать концен- трацию предыдущей, в противном случае тип проводимости не изменится, а значит, не образуется р-n переход. Между тем концентрация примеси в кремнии (или другом исходном материале) не может быть сколь-угодно большой: она ограничена особым параметром - предельнойрастворимостью примеси NS.Предельная растворимость зависит от температуры. При некоторой температуре она достигает максимального значения, а затем снова уменьшается. Максимальные предельные растворимости вместе с соответствующими температурами приведены в таблице 3.1.
Следовательно, если проводится многократная диффузия, то для последней диффузии нужно выбирать материал с максимальной предельной растворимостью. Поскольку ассортимент примесных материалов ограничен,
не удается обеспечить более 3-хпоследовательных диффузий.
Примеси, вводимые путем диффузии, называют диффузантами (бор, фосфор и др.). Источникамидиффузантов являются иххимические соединения.Это могутбытьжидкости(ВВr3, РОСl),твердые тела (В2О3, P2O5) или газы(В2Н6, РН3).
Внедрение примесей обычно осуществляется с помощью газотран- спортных реакций - так же, как при эпитаксии и окислении. Для этого используются либо однозонные, либо двухзонные диффузионные печи.
Двухзонные печи используются в случае твердых диффузантов.В таких печах (рисунок 3.5) имеются две высокотемпературные зоны,одна - для испарения источника диффузанта, вторая - собственно для диффузии.
Пары источника диффузанта, полученные в 1-й зоне, примешиваются к по- току нейтрального газа-носителя (например, аргона) и вместе с ним доходят до 2-й зоны, где расположены пластины кремния. Температура во 2-й зоне выше, чем в 1-й. Здесь атомы диффузанта внедряются в пластины, а другие составляющие химического соединения уносятся газом-носителем из зоны.
В случае жидких и газообразных источников диффузанта нет необходи- мости в их высокотемпературном испарении. Поэтому используются однозон- ные печи, как при эпитаксии, в которые источник диффузанта поступает уже в газообразном состоянии.
При использовании жидких источников диффузанта диффузию проводят в окислительной среде, добавляя к газу-носителю кислород. Кислород окисляет поверхность кремния, образуя окисел SiO2, т. е. в сущности - стекло. В присут- ствии диффузанта (бора или фосфора) образуется боросиликатное или фосфорносиликатное стекло. При температуре выше 1000оС эти стекла находятся в жидком состоянии, покрывая поверхность кремния тонкой пленкой, так что диффузия примеси идет, строго говоря, из жидкой фазы. После застывания стекло защищает поверхность кремния в местах диффузии,
т. е. в окнах окисной маски. При использовании твердых источников диффузанта - окислов - образование стекол происходит в процессе диффузии без специально вводимого кислорода.
Различают два случая распределения примеси в диффузионном слое.
1 Случай неограниченного источника примеси.В этом случае диф-фузант непрерывно поступает к пластине, так что в её приповерхностном слое концентрация примеси поддерживается постоянной равной NS. С увеличением времени диффузии увеличивается глубина диффузионного слоя (рисунок 3.6а).
2 Случай ограниченного источника примеси.В этом случае сначала в тонкий приповерхностный слой пластины вводят некоторое количество атомов диффузанта (время t1), а затем источник диффузанта отключают и атомы примеси перераспределяются по глубине пластины при неизменном их общем количестве (рисунок 3.6б). При этом концентрация примеси на поверхности снижается, а глубина диффузионного слоя увеличивается (кривые t2 и t3). Первую стадию процесса называют ²загонкой², вторую - ²разгонкой² примеси.
геометрических размерах удельная индуктивность лежит в диапазоне 10-20 нГн/мм2, т. е. на площади 25 мм2 можно получить индуктивность 250-500 нГн.
