Топология и структура интегральных микросхем: Методические указания и контрольные задания, страница 5

а)                                                              б)

Рис. 14.  Топология и структура диффузионного (а) и

           МОП - конденсатора (б)

Возможно применение ДК также на основе эмиттерно-базового перехода и перехода “коллектор-подложка”. Основные параметры различных вариантов ДК приведены в табл.4. Достоинством ДК является совместимость их технологии с типовой технологией БТ-ИС. К их недостаткам можно отнести:

     — необходимость обеспечения запирающего потенциала на переходе;

     — зависимость удельной емкости С₀ от напряжения;

     — большой расход площади подложки.

         МОП-конденсатор принципиально отличен от ДК. Структура МОП-конденсатора приведена на рис.14,б. Роль нижней обкладки выполняет     n⁺‑слой, на котором с помощью дополнительных технологических процессов выращен тонкий (0,08-0,12 мкм) слой SiO₂. Верхняя обкладка из алюминия формируется при выполнении металлической разводки.

         Основные параметры МОП-конденсатора также приведены в табл.4. Достоинством МОП-конденсатора является то, что он работает при любой полярности напряжения, хотя удельная емкость С₀ в некотором интервале напряжений зависит от напряжения. Недостатком МОП-конденсатора является необходимость дополнительных операций, не свойственных БТ-ИС. МОП-конденсатор больше подходит МДП-ИС, с которой он имеет полную технологическую совместимость.

               Основные параметры ДК и МОП конденсаторов             Таблица 4

Тип коденсатора	С0,   nФ  мм2	СМАКС,     nФ	Разброс номина- лов, %	Темпера- турный коэффи- циент,    % / °С	Пробив- ное напряже- ние, В	Добротность      на частоте     1 МГц
Переход БК	150	300	±20	-0,1	50	50-100
Переход БЭ	1000	1200	±20	-0,1	7	1-20
Переход КП	100	300	±20	-0,1	50	50-100
МОП-конденсатор	300	500	±25	0,02	20	200

         Максимальная емкость конденсаторов С_МАКС ограничивается допустимым расходом (не более 25%) площади подложки под конденсаторы.

1.3.3.  Элементы МДП-ИС

         В основе МДП-ИС лежит структура МОП-транзистора, названного так из-за использования SiO₂ в качестве диэлектрика. На рис.15 приведены типичная топология и структура интегрального МОП-транзистора с индуцированным n-каналом. Сравнивая рис.8 и рис.15, можно отметить следующие особенности МОП-транзистора как элемента ИС.

         Во-первых, технология МОП-транзистора проще: она включает только 1 процесс диффузии и 4 процесса фотолитографии против 4 процессов диффузии и 6 процессов фотолитографии для биполярного транзистора. Простота технологии обеспечивает меньший процент брака и меньшую себестоимость МДП-ИС.

Рис. 15. Топология и структура МОП-транзистора

с индуцированным р-каналом

         Во-вторых, как уже было отмечено ранее, для МОП-транзистора не требуются изолированные карманы, что способствует более экономичному использованию площади подложки, т.е. повышению степени интеграции ИС.

         В третьих, МОП-транзистор занимает значительно меньшую площадь ( примерно в 5 раз ), что также способствует повышению степени интеграции и снижению стоимости ИС.

         Недостатком МОП-транзистора является меньшее быстродействие, обусловленное сильным влиянием паразитных емкостей. Хотя величины этих емкостей относительно малы (около 0,6 пФ), высокие значения входных и выходных сопротивлений затягивают время их перезаряда.

         В настоящее время широко применяются ИС на комплементарных МОП-транзисторах ( КМОП-ИС), для реализации которых необходимо изготавливать в одном кристалле транзисторы с n и p -каналом. Существующие методы получения комплементарных МОП структур показаны на рис.16.

                             а)                                                              б)

          Рис. 16.  Структуры комплементарных МОП-транзисторов,

                          использующие  изолирующий n-карман (а)

                          и  технологию  “кремний на сапфире”

         Недостатком обоих методов является увеличение количества технологических операций, приводящее к повышению стоимости ИС. Сущность первого метода очевидна. При втором методе на сапфировой подложке наращивается слой собственного кремния, из которого формируются островки. Далее в части островков формируются области истока и стока транзисторов с n-каналом (диффузия донорных примесей ), а затем на других островках формируются области истока и стока транзисторов с          p-каналом ( диффузия акцепторных примесей ).

         В качестве резисторов используются МОП-транзисторы, включенные по схеме двухполюсника ( затвор соединен со стоком ). Для повышения потенциала сопротивления у этих транзисторов увеличивают длину канала ( до 40 мкм ) и уменьшают ее ширину.

         В качестве конденсаторов используются МОП-конденсаторы, структура которых отличается от приведенной на рис.14,б отсутствием изолирующих карманов. Тонкий окисел SiO₂ для конденсатора получается одновременно с изоляцией затвора транзистора, а низкоомный слой полупроводника получается при формировании стока и истока.

1.4.  Особенности топологии ИС

         Топология ИС определяет геометрию элементов в плане их расположения на подложке. При групповой технологии, характерной для ИС, стоимость изготовления элементов и их монтажа не зависит от числа элементов на пластине (при одинаковой технологии ). В результате стоимость каждой ИС оказывается обратно пропорциональной площади подложки этой ИС, поэтому при разработке топологии стремятся свести площадь подложки к минимуму. Степень реализации этого требования определяют два параметра топологии:

         — плотность упаковки элементов ИС ( Р_УП );

         — коэффициент использования площади подложки ( К_ИСП ).

Указанные параметры определяются следующими соотношениями:

Р_УП  =  N_ЭЛ / S_ПОДЛ ,                                               (5)

                                                                    N_ЭЛ

К_ИСП  = å  S_iЭЛ / S_ПОДЛ ,                                            (6)

i=1

где   N_ЭЛ   — общее количество элементов ИС, включая контактные  площади;

S_ПОДЛ — площадь подложки, мм²;