數(shù)字集成電路第3章

1、第三章第三章集成電路電路中的無源元件集成電路電路中的無源元件集成電路電路中的無源元件集成電路電路中的無源元件l無源元件有電阻、電容，制作工藝與NPN管（或MOS）兼容；l集成電阻、電容最大的優(yōu)點(diǎn)是元件間匹配及溫度跟蹤好；l缺點(diǎn)為精度低；絕對誤差大；溫度系數(shù)大；可制作范圍有限，不能太大，也不能太小，占用芯片面積大；l集成電路中多用有源器件，少用無源器件集成電阻器分類集成電阻器分類l基區(qū)擴(kuò)散電阻l發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻l基區(qū)溝道電阻l離子注入電阻l多晶硅電阻和MOSFET形成電阻基區(qū)擴(kuò)散電阻基區(qū)擴(kuò)散電阻12,LW,1:2:3:4:2 0.8;0.55,(2)0.55(0.5 ),SSSjceffjcSjc

2、SsaaSLRRWRWWxWWxLRRknkWxLRRn RK RW 為基區(qū)擴(kuò)散薄層電阻分別電阻器的長和寬端頭修正, 拐角修正因子, 橫向擴(kuò)散因子修正, 薄層電阻值的修正基區(qū)擴(kuò)散電阻最小條寬的設(shè)計基區(qū)擴(kuò)散電阻最小條寬的設(shè)計l基區(qū)擴(kuò)散電阻最小條寬受三個限制l由設(shè)計規(guī)則決定最小擴(kuò)散條寬l由工藝水平和電阻精度決定l由流經(jīng)電阻的最大電流決定由設(shè)計規(guī)則決定最小擴(kuò)散條寬由設(shè)計規(guī)則決定最小擴(kuò)散條寬l設(shè)計規(guī)則決定最小擴(kuò)散寬度Wmin，設(shè)計規(guī)則是從工藝中提取的，為了保證一定成品率而規(guī)定的一組最小尺寸，這些規(guī)則主要考慮了制版、光刻等工藝可實現(xiàn)的最小條寬度、最小圖形間距、最小可開孔、最小套刻精度，必須符合設(shè)計規(guī)則。

3、由工藝水平和電阻精度決定由工藝水平和電阻精度決定RminW，WR/R，/， %5,:,對擴(kuò)散電阻的最小條寬有關(guān)水平和工藝控制電阻精度要求上式表明于是有可以忽略時當(dāng)一般取來自制版光刻隨機(jī)誤差目前工藝下根據(jù)誤差理論得電阻為WWRRRR：，LL，WLWL，WL、RRWWLLRRRRWLRRSSSSSSS由工藝水平和電阻精度決定由工藝水平和電阻精度決定l由此可見，要提高電阻的精度，可選較大的電阻條寬，為了保證一定的電阻值，電阻的長度必然增加，導(dǎo)致芯片面積增加、寄生電容增加，所以應(yīng)折衷考慮l雖然擴(kuò)散電阻的相對誤差很大，但在一定的條件下，可使匹配誤差作的很小，R1、R2與匹配誤差可表示為)()()(222

4、2111122112121WWRRWWRRRRRRRRRRSSSS由工藝水平和電阻精度決定由工藝水平和電阻精度決定l如果將兩個要求匹配誤差很小的電阻，滿足下列條件：l作在同一隔離島上l互相緊挨著l使它們條寬相等l方向相同l作成一個擴(kuò)散條，中間引出端將它們分成兩個電阻%2 . 0,W)11(/)/(W/21212121最小兩個電阻比可作的很高如果得和線寬變化因此有相同的WWWWRRRRRRSS由流經(jīng)電阻的最大電流決定由流經(jīng)電阻的最大電流決定為方塊電阻最大電流單位電阻條寬可流過的單位面積最大功率則有單位面積最大功耗為SAASRSAARPPRIWWRIWLRIPmWPmax maxmaxmaxmin

5、22226maxI/105基區(qū)擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)基區(qū)擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)TCRlTCR隨RS增大而增大，電阻比的溫度系數(shù)可作的很低，因為、xjc、NB相同，電阻比只取決于兩個電阻的L/W；在電路設(shè)計中應(yīng)盡量采用電路特性只與電阻比有關(guān)的電路形式發(fā)射區(qū)（磷）擴(kuò)散電阻發(fā)射區(qū)（磷）擴(kuò)散電阻l直接在外延層上擴(kuò)散N+層來形成l需一個單獨(dú)的隔離區(qū)l外延層電阻率高于N+層l不存在寄生效應(yīng)l不需要隱埋層l與其它電阻作在一個隔離島上l發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻做在一個單獨(dú)的P型擴(kuò)散區(qū)l有寄生PNP效應(yīng)l需要隱埋層l作小電阻、作磷橋隱埋層電阻隱埋層電阻l電阻較小20歐姆/方塊l特別適合作與晶體管集電極相連的小電阻l計算方法與基區(qū)

6、電阻相同l隱埋層電阻精度不高、難以控制，工藝因素對其影響太多基區(qū)溝道電阻基區(qū)溝道電阻定義：在基區(qū)擴(kuò)散層上在覆蓋一層發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，利用兩次擴(kuò)散所形成的相當(dāng)于晶體管基區(qū)的部分作為電阻的，稱為基區(qū)溝道電阻特點(diǎn)（1）薄層電阻RS較大，用小面積制作大電阻（2）R是兩端外加電壓的函數(shù)；電壓很小時為常數(shù)（3）只能用作小電流、小電壓，如基區(qū)偏置電阻、泄放電阻（4）精度低，沒有獨(dú)立控制因數(shù)（5）大面積N+-P，所以寄生電容大。R=RS（L/W）外延層電阻（體電阻）外延層電阻（體電阻）l定義：直接在外延層上作成的電阻，兩端的N+擴(kuò)散區(qū)是電極的接觸區(qū)，又稱體電阻，不存在寄生效應(yīng)；不需要隱埋層l特點(diǎn)：外延層電阻大；可承

7、受高壓；橫向修正；電阻相對誤差大；電阻溫度系數(shù)大如果在外延層上再覆蓋一層P型擴(kuò)散層，就可以形成高阻值的電阻。離子注入電阻離子注入電阻l定義:在外延層上注入硼離子,形成電阻區(qū),在電阻區(qū)的兩端進(jìn)行P型雜質(zhì)擴(kuò)散,以獲得歐姆接觸,作為電阻的引出端.l特點(diǎn):薄層電阻可控范圍大,可由注入條件精確控制;電阻精度高,可作大電阻lTCR與退火條件、RS等有關(guān)，所以可以控制，當(dāng)注入硼區(qū)，后再注入氬離子時，其溫度系數(shù)可降至10-4以下。l缺點(diǎn)：由于注入結(jié)深較小，所以注入層厚度受耗盡層影響較大，導(dǎo)致阻值隨電阻兩端電壓的提高而增大MOS集成電路中常用電阻集成電路中常用電阻多晶硅電阻；用多晶硅電阻；用MOS管形成電阻管形

8、成電阻電阻精度可以提高如果采用離子注入允許有較大偏差它要求高阻值電阻可作存儲器單元的負(fù)載電阻精度不高擴(kuò)散量漏擴(kuò)散時電阻區(qū)的橫向為源多晶硅電阻，、WLLRWLRRDsipolySeffsipolySDL)2(:用用MOS管形成電阻管形成電阻l用MOS管形成電阻，占用面積小，但為非線性的l非飽和區(qū)大信號溝道電阻11)(2:,0)(2TGSCDSDSTGSDSTGSDSDSCVVKRVVVVVVVKIVR可得到很小時當(dāng)集成電容集成電容器器l雙極集成電路中常用的集成電容器l反偏PN結(jié)電容器lMOS電容器lMOS集成電路中常用的MOS電容器l感應(yīng)溝道的單層多晶硅MOS電容l雙層多晶硅MOS電容反偏反偏P

9、N結(jié)電容器結(jié)電容器l工藝與NPN兼容l發(fā)射結(jié)零偏單位面積電容CjA0較大，擊穿電壓低l集電結(jié)零偏單位面積電容CjA0較小，擊穿電壓高l利用并聯(lián)方式可提高結(jié)零偏單位面積電容CjA0MOS電容器電容器l下電極為N+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層；上電極為鋁膜；中間介質(zhì)為薄二氧化硅，厚度1000A，這層介質(zhì)對工藝要求較高，一般要額外制作。AtCCoxSIOOXMOS02MOS電容器特點(diǎn)電容器特點(diǎn)l單位面積電容CjA0較小l擊穿電壓高l溫度系數(shù)小l當(dāng)下電極用N+擴(kuò)散時，MOS電容的電容值基本與電壓大小及電壓極性無關(guān)lC/C較大l有較大的CjS， CMOS /Cjs 較小感應(yīng)溝道的單層多晶硅感應(yīng)溝道的單層多晶硅MOS電容

10、電容l以柵氧化層為介質(zhì),多晶硅為上電極,襯底為下電極;通常C區(qū)下襯底表面感應(yīng)溝道與擴(kuò)散區(qū)S相連l特點(diǎn):電容值是所加電壓的函數(shù),是個非線性電容,常用自舉電路.雙層多晶硅雙層多晶硅MOS電容電容l構(gòu)成:作在場氧層上的,電容的上下極(摻雜多晶硅)通過場氧化層與其它元器件及襯底隔離,以薄氧化層為介質(zhì)的固定電容。l精確控制薄氧化層的質(zhì)量和厚度，就可得到精確的電容值WLtCoxOX0互連線（廣義上也為一元件）互連線（廣義上也為一元件）l金屬膜連線l擴(kuò)散區(qū)連線l多晶硅連線l交叉連線金屬膜連線金屬膜連線l在設(shè)計互連線的鋁條時，除考慮最小鋁條寬度、鋁條間距，電極孔的最小面積，還要考慮下列內(nèi)容：l一般情況鋁線電阻

11、很小，但鋁膜太薄、鋁連線太長、寬度太窄時，鋁線電阻必須考慮l大電流密度的限制：電流太大會起鋁膜結(jié)球，即使電流不太大，長時間通電流，會產(chǎn)生鋁的電遷移現(xiàn)象，即鋁粒離子從負(fù)極向正極運(yùn)動。金屬膜連線金屬膜連線lSI-AL互溶問題：在共熔點(diǎn)溫度（577C），1m厚的AL可以吃掉 0.12m的硅層，而使很薄的雙極晶體管的發(fā)射區(qū)擴(kuò)散層和MOS管的源漏擴(kuò)散層變的更薄。lSI-AL共熔體中吸出的SI原子，會向附近的純鋁中擴(kuò)散，所以在小接觸孔附近有大塊鋁的情況下，雖然合金溫度不太高，也會從接觸孔邊沿把PN結(jié)熔穿金屬膜連線金屬膜連線l一個方法：對淺結(jié)、小接觸孔、大而厚的鋁膜，要特別注意選擇合金的溫度和時間l另一個：

12、在鋁中摻硅，對于結(jié)深小的器件，硅含量小于2%；以便減小吃硅現(xiàn)象。鋁硅合金硬度比硅高，防止劃傷，但含量不能太高（大于2%），含量太高易吸出，使接觸電阻增大，甚至脫鍵現(xiàn)象。擴(kuò)散區(qū)連線擴(kuò)散區(qū)連線l在雙極集成電路中，基區(qū)擴(kuò)散層電阻較大，一般不用它作內(nèi)連接。lMOS管的源漏區(qū)擴(kuò)散區(qū)的薄層電阻較小，有時用之l一般是源、漏延長而成，但它增加了PN結(jié)電容，所以不得已才使用之。多晶硅連線多晶硅連線l采用多晶硅柵工藝，可以用于傳輸小電流的連線。MOS管中，前級輸出到下一級輸入柵之間的連線，一般只流過瞬態(tài)電流，多晶硅作此連線最合適不過了，摻雜多晶硅的電阻可作的很??；當(dāng)尺寸進(jìn)一步縮小，多晶硅連線電阻變大，可用TI W MO的硅化物作連線。交叉連線交叉連線l利用基區(qū)擴(kuò)散電阻l利用雙基極和雙集電極之間