.
Импульсные и цифровые устройства. Логические элементы Дешифраторы и шифраторы Мультивибраторы Проектные параметры резисторов Элементы инжекционной логики Конструкции МДП-транзисторов Проектирование топологии ИС

Физика решение задач

Конденсаторы со структурой МОП

Структура и топология МОП-конденсатора показана на рисунке 2.65. Здесь над эмиттерным n+-слоем выращен слой тонкого (0,08–0,12 мкм) окисла. При исполнении металлической раз-водки на этот слой наносится верхняя алюминиевая обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерый n+-слой. Удельная емкость МОП-кон-денсатора определяется диэлектрической постоянной диэлектрика SiO2 и обычно составляет около (250–350) пФ/мм2.

 Важным преимуществом МОП-конденсаторов является то, что они не полярны. Однако МОП-конденсатор, как и конденсатор на основе p-n-перехода, имеет нелинейную вольт-фарадную характеристику С(U). Зависимость емкости от напряжения на конденсаторе, показанная на рисунке. 2.66, обусловлена тем, что емкость МОП-конденсатора представляет собой последовательное соединение двух емкостей: емкости диэлектрика и емкости обедненного слоя, который может образоваться в приповерхностной области полупроводника. В конденсаторе, показанном на рисунке 2.65, при нулевом и положительном напряжениях на металлической обкладке приповерхностная область подложки обогащается электронами (обедненный слой отсутствует). Соответственно емкость конденсатора определяется диэлектриком и имеет максимальное значение.

При отрицательных напряжениях поверхностный слой полупроводника обедняется носителями заряда. Толщина этого слоя растет с повышением отрицательного напряжения, и емкость конденсатора соответственно уменьшается. Это приводит к уменьшению результирующей емкости МОП-конденсатора (кривая 1 на рис. 2.66). При достаточно большом отрицательном напряжении вблизи поверхности образуется инверсионный дырочный слой, т.е. проводящий канал. Тогда емкость обедненного слоя оказывается «отключенной» от емкости диэлектрика и результирующая емкость МОП-конденсатора снова приближается к начальному значению (кривая 2).

Для ослабления влияния обедненного слоя необходимо, чтобы емкость этого слоя была большой по сравнению с емкостью диэлектрика. Такое требование удовлетворяется при большой концентрации примесей в полупроводнике. Поэтому в качестве полупроводниковой «обкладки» МОП-конденсатора используется n+-слой. Благодаря малому сопротивлению этого слоя обеспечивается и повышение добротности конденсатора. Паразитная емкость МОП-конденсаторов для схем замещения учитывается как полярная емкость (Сиз) между n-карманом и р-под-ложкой. Коэффициент Cиз/С в данном случае составляет около (0,1–0,2).

Важной особенностью МОП-конденсаторов является зависимость их емкости от частоты. Такая зависимость обусловлена влиянием быстрых поверхностных состояний на границе полупроводник—диэлектрик. Перезаряд этих состояний является инерционным процессом и происходит с постоянной времени порядка 0,1 мкс. Поэтому с ростом частоты емкость МОП-конденсатора уменьшается и достигает установившегося значения лишь при частотах более нескольких мегагерц.

 

Параметры конденсаторов БПТ ИМС

Проектными параметрами конденсатора являются:

рабочие напряжения конденсатора Uр и изоляции Uиз, В;

номинальная емкость С, Ф;

допустимое относительное отклонение dC;

допустимое относительное эксплуатационное отклонение dCэ;

допустимые потери (добротность Q) в конденсаторе;

граничная частота конденсатора Fгр, Гц;

допустимое отношение Сраб/Сиз.

Следует отметить, что названный перечень параметров далеко не полный. К числу дополнительных могут быть отнесены обратные токи переходов, требования по нелинейности, требования по температурному диапазону и др. Однако расширение спектра требований является достоянием специальных нормативных актов приложений.

Рабочие напряжения конденсатора Uр и изоляции Uиз определяются по формулам общего вида для лавинного пробоя, примененным в проектных оценках параметров слоев транзисторов, диодов, резисторов.

Номинальная емкость С определяется по формуле однообкладочных плоских конденсаторов с учетом возможных различий удельных емкостей донной и боковых поверхностей обкладок конденсатора

 Ср = Ср.уд.дон.×Sр.дон.+ Ср.уд.бок.×Sр.бок. (2.128)

для проектируемого конденсатора и

 Сиз.= Сиз.уд.дон.×Sиз.дон.+ Сиз.уд.бок.×Sиз.бок. (2.128а)

для паразитной емкости изоляции «кармана».

Допустимое относительное отклонение dC представляется суммой производственного отклонения dCп и эксплуатационного отклонения dCэ.

Эксплуатационное относительное отклонение dCэ в основном определяется температурными изменениями удельных емкостей. В свою очередь, температурные изменения удельных емкостей можно оценивать по формуле

 dСуд.i = ТКЕi×∆T, (2.129)

в которой

ТКЕi — температурный коэффициент i-ой удельной емкости;

∆T — температурный интервал определения емкости.

Температурный коэффициент удельной емкости в диапазоне температур полной ионизации примесных атомов (–60 ÷ +125) °С определяется температурными изменениями диэлектрической проницаемости ε и контактной разности потенциалов φk полупроводника. Учитывая функциональную зависимость удельной емкости от ε и φk для ступенчатого и плавного р-n-переходов, температурные коэффициенты определяются по формулам

  ТКЕ ≈ (1/2)×[TKε – 3,3×10 –2/(1–U/φk)] (2.130)

для ступенчатого перехода и

 ТКЕ ≈ (1/3)×[2×TKε – 3,3 ×10 –2/(1–U/φk)] (2.131)

для плавного перехода. В приведенных формулах температурный коэффициент диэлектрической проницаемости TKε следует принять равным 2×10–4 1/°С. Знак перед членом U/φk в формулах (2.130), (2.131) соответствует прямому смещению перехода.

Для известного температурного диапазона применения ∆T, определив эксплуатационную погрешность dCэ = dСуд, можно определить допустимую относительную производственную погрешность

 dCп = dC – dCэ. (2.132)

По выражению (2.132) определяется факт соответствия требований на проектирование конденсатора без принятия мер компенсации эксплуатационного отклонения. При (dC – dCэ) ≤ 0 допустимая производственная погрешность может назначаться в значительной мере произвольно, так как без компенсации эксплуатационного и производственного отклонений удовлетворить требования к допустимому отклонению dC невозможно. При (dC – dCэ) > 0 допустимое производственное отклонение представляется через составляющие производственных отклонений по следующему выражению

  (dC – dCэ) > dCп = dS + dCуд.i. (2.133)

Производственная относительная погрешность площади dS для малых отклонений составляющих (не более 0,1–0,2) определяется суммой относительных погрешностей линейных размеров верхней (меньшего размера) обкладки и ее толщины. Производственная относительная погрешность удельной емкости dCуд.i для малых отклонений составляющих, аналогично площади, определяется суммой относительных погрешностей диэлектрической проницаемости материала и ширины разделительного перехода между обкладками. Значение этого отклонения выбором плоскостных размеров конденсатора не может быть изменено. Поэтому значение погрешности dCуд.i принимается к выбору плоскостных размеров, как технологическое ограничение. Неравенство (2.133) устанавливает ограничение на конструктивное исполнение конденсатора. При выполнении условия

 (dC – dCэ) – dCуд.i > (0,01– 0,03) (2.134)

проектируются конденсаторы без последующей подгонки емкости. В противном случае необходимо в конструкции конденсаторов предусматривать возможность подгонки емкости до требуемого значения специальными приемами. Вследствие низкой эффективности исполнения конденсаторов с номинальной емкостью более (1–2) пф в составе ИМС и технологических проблем изменения емкости в процессе производства, подгонка емкости конденсаторов ИМС не предусматривается.

На рисунке 2.67 изображена топологическая конфигурация конденсатора, соответствующая структуре, изображенной на рисунке 2.63. Эта конструкция не предполагает иного способа подгонки, как изменением напряжения смещения на разделительном переходе. Раз-меры L и B верхней обкладки, при извест-ных толщине базового слоя и удельных емкостях его донной и боковой поверхностей, определяются величиной требуемой емкости конденсатора Ср. В отсутствие других ограничений, задаваясь отношением В/L ≥ 1, из выражения (2.128) несложно определить один из размеров (L или В) и по назначенному отношению В/L определить другой недостающий раз-мер обкладки.

Размеры технологических промежутков d1, d2, d3 определяются аналогично тому, как это было принято в разделах по формированию топологии БПТ, диодов, резисторов. Длина контактного окна Lk в окисле под металлизацию вывода от нижней обкладки (ЭПСК и n+-слой) принимается от минимального технологического размера Lo и более (в зависимости от требуемого по потерям конденсатора контактного сопротивления). Размеры по ширине (направления Вi) базового слоя и контактного n+-слоя принимаются равными.

Так как толщина верхней обкладки и ее погрешность являются параметрами структуры конденсатора, выбором топологических размеров L и В возможно управлять вносимыми ими относительными погрешностями. Можно показать, что при L=B эта составляющая погрешности будет минимальной, что может рассматриваться как один из аргументов рационализации выбора отношения размеров L и В. Другим аргументом рационализации выбора отношения размеров L и В может быть стремление сокращения площади пассивной периферии, обрамляющей активную зону конденсатора. Можно показать, что минимальными эти потери будут при условии исполнения активной зоны квадратной формы, что соответствует равенству

  L = B – d3 – Lk – 2×d4 = В – ∆. (2.135)

Подстановкой соотношения (2.135) в формулу (2.128) определяется ширина В. По формуле (2.135) определяется длина L верхней обкладки конденсатора и остальные размеры топологии. В формуле (2.135) размер d4 соответствует расстоянию от границы легированного n+-cлоя до края контактного окна к этому слою в окисле. Вследствие малости параметра ∆ и размытого минимума зависимости погрешности dS от отношения L/B, выбор размеров по соотношению (2.135) незначительно влияет на изменение погрешности, вносимой производственным отклонением площади dS.

Возможности рационализации выбора формы обкладок для снижения производственной погрешности емкости конденсатора ограничены, так как при заданной величине емкости площадь конденсатора ограничена и может быть увеличена исключительно снижением удельной емкости.

Потери конденсатора на основе p-n-перехода, как и дискретных радиоэлементов, принято характеризовать сопротивлениями потерь Rk (см. рис. 2.64) и добротностью Qc. Сопротивление Rk в активной зоне образуется суммой сопротивлений металлизации Rkm обкладок и объемным сопротивлением обкладок Rkv. Составляющая сопротивления металлизации Rkm, вследствие сравнительно высокого поверхностного сопротивления обкладок, сводится к переходным сопротивлениям металл-полу-проводник и определяется по формуле

Rkm ≈ [Rob/(L×B)] + Ron+ /(Lk×B),

где Rob, Ron+ — удельные переходные сопротивления контактов с верхней и нижней полупроводниковыми обкладками. Объемное сопротивление обкладок Rkv определяется для верхней и нижней обкладок с применением упрощенных моделей, рассмотренных в подразделе 2.13.6. Добротность конденсатора Qc определяется на частоте применения Fp по формуле

  Qc ≈ 1/[2π×Fp×С×(Rkm+Rkv)]. (2.136)

Для повышения добротности следует при фиксированной площади уменьшать сопротивление обкладок. С этой целью необходимо уменьшать отношение L/B, что повышает производственную погрешность емкости и потери площади кристалла под разделительные межэлементные зазоры.

Граничная частота Fгр применения конденсатора соответствует значению Qc=1 и определяется из выражения (2.136). В ряде случаев, когда требования добротности повышенные, могут применяться более жесткие оценки по допустимым значениям добротности Qc >>1.

Допустимое отношение Сраб/Сиз не всегда может быть удовлетворено. Количественно названное отношение определяется расчетом емкостей по формулам (2.128), (2.128а), и, как уже отмечалось, оно составляет в лучшем случае (5–6). Существенно увеличить это отношение нельзя.


На главную