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1、第三章 集成电路电路中的无源元件,集成电路电路中的无源元件,无源元件有电阻、电容，制作工艺与NPN管（或MOS）兼容； 集成电阻、电容最大的优点是元件间匹配及温度跟踪好； 缺点为精度低；绝对误差大；温度系数大；可制作范围有限，不能太大，也不能太小，占用芯片面积大； 集成电路中多用有源器件，少用无源器件,集成电阻器分类,基区扩散电阻 发射区扩散电阻 基区沟道电阻 离子注入电阻 多晶硅电阻和MOSFET形成电阻,基区扩散电阻,基区扩散电阻最小条宽的设计,基区扩散电阻最小条宽受三个限制 由设计规则决定最小扩散条宽 由工艺水平和电阻精度决定 由流经电阻的最大电流决定,由设计规则决定最小扩散条宽,设计规
2、则决定最小扩散宽度Wmin，设计规则是从工艺中提取的，为了保证一定成品率而规定的一组最小尺寸，这些规则主要考虑了制版、光刻等工艺可实现的最小条宽度、最小图形间距、最小可开孔、最小套刻精度，必须符合设计规则。,由工艺水平和电阻精度决定,由工艺水平和电阻精度决定,由此可见，要提高电阻的精度，可选较大的电阻条宽，为了保证一定的电阻值，电阻的长度必然增加，导致芯片面积增加、寄生电容增加，所以应折衷考虑 虽然扩散电阻的相对误差很大，但在一定的条件下，可使匹配误差作的很小，R1、R2与匹配误差可表示为,由工艺水平和电阻精度决定,如果将两个要求匹配误差很小的电阻，满足下列条件： 作在同一隔离岛上 互相紧挨着
3、 使它们条宽相等 方向相同 作成一个扩散条，中间引出端将它们分成两个电阻,由流经电阻的最大电流决定,基区扩散电阻的温度系数TCR,TCR随RS增大而增大，电阻比的温度系数可作的很低，因为、xjc、NB相同，电阻比只取决于两个电阻的L/W；在电路设计中应尽量采用电路特性只与电阻比有关的电路形式,发射区（磷）扩散电阻,直接在外延层上扩散N+层来形成 需一个单独的隔离区 外延层电阻率高于N+层 不存在寄生效应 不需要隐埋层 与其它电阻作在一个隔离岛上 发射区扩散电阻做在一个单独的P型扩散区 有寄生PNP效应 需要隐埋层 作小电阻、作磷桥,隐埋层电阻,电阻较小20欧姆/方块 特别适合作与晶体管集电极相
4、连的小电阻 计算方法与基区电阻相同 隐埋层电阻精度不高、难以控制，工艺因素对其影响太多,基区沟道电阻,定义：在基区扩散层上在覆盖一层发射区扩散，利用两次扩散所形成的相当于晶体管基区的部分作为电阻的，称为基区沟道电阻 特点（1）薄层电阻RS较大，用小面积制作大电阻（2）R是两端外加电压的函数；电压很小时为常数（3）只能用作小电流、小电压，如基区偏置电阻、泄放电阻（4）精度低，没有独立控制因数（5）大面积N+-P，所以寄生电容大。R=RS（L/W）,外延层电阻（体电阻）,定义：直接在外延层上作成的电阻，两端的N+扩散区是电极的接触区，又称体电阻，不存在寄生效应；不需要隐埋层 特点：外延层电阻大；可
5、承受高压；横向修正；电阻相对误差大；电阻温度系数大 如果在外延层上再覆盖一层P型扩散层，就可以形成高阻值的电阻。,离子注入电阻,定义:在外延层上注入硼离子,形成电阻区,在电阻区的两端进行P型杂质扩散,以获得欧姆接触,作为电阻的引出端. 特点:薄层电阻可控范围大,可由注入条件精确控制;电阻精度高,可作大电阻 TCR与退火条件、RS等有关，所以可以控制，当注入硼区，后再注入氩离子时，其温度系数可降至10-4以下。 缺点：由于注入结深较小，所以注入层厚度受耗尽层影响较大，导致阻值随电阻两端电压的提高而增大,MOS集成电路中常用电阻 多晶硅电阻；用MOS管形成电阻,用MOS管形成电阻,用MOS管形成电
6、阻，占用面积小，但为非线性的 非饱和区大信号沟道电阻,集成电容器,双极集成电路中常用的集成电容器 反偏PN结电容器 MOS电容器 MOS集成电路中常用的MOS电容器 感应沟道的单层多晶硅MOS电容 双层多晶硅MOS电容,反偏PN结电容器,工艺与NPN兼容 发射结零偏单位面积电容CjA0较大，击穿电压低 集电结零偏单位面积电容CjA0较小，击穿电压高 利用并联方式可提高结零偏单位面积电容CjA0,MOS电容器,下电极为N+发射区扩散层；上电极为铝膜；中间介质为薄二氧化硅，厚度1000A，这层介质对工艺要求较高，一般要额外制作。,MOS电容器特点,单位面积电容CjA0较小 击穿电压高 温度系数小
7、当下电极用N+扩散时，MOS电容的电容值基本与电压大小及电压极性无关 C/C较大 有较大的CjS， CMOS /Cjs 较小,感应沟道的单层多晶硅MOS电容,以栅氧化层为介质,多晶硅为上电极,衬底为下电极;通常C区下衬底表面感应沟道与扩散区S相连 特点:电容值是所加电压的函数,是个非线性电容,常用自举电路.,双层多晶硅MOS电容,构成:作在场氧层上的,电容的上下极(掺杂多晶硅)通过场氧化层与其它元器件及衬底隔离,以薄氧化层为介质的固定电容。 精确控制薄氧化层的质量和厚度，就可得到精确的电容值,互连线（广义上也为一元件）,金属膜连线 扩散区连线 多晶硅连线 交叉连线,金属膜连线,在设计互连线的铝
8、条时，除考虑最小铝条宽度、铝条间距，电极孔的最小面积，还要考虑下列内容： 一般情况铝线电阻很小，但铝膜太薄、铝连线太长、宽度太窄时，铝线电阻必须考虑 大电流密度的限制：电流太大会起铝膜结球，即使电流不太大，长时间通电流，会产生铝的电迁移现象，即铝粒离子从负极向正极运动。,金属膜连线,SI-AL互溶问题：在共熔点温度（577C），1m厚的AL可以吃掉 0.12m的硅层，而使很薄的双极晶体管的发射区扩散层和MOS管的源漏扩散层变的更薄。 SI-AL共熔体中吸出的SI原子，会向附近的纯铝中扩散，所以在小接触孔附近有大块铝的情况下，虽然合金温度不太高，也会从接触孔边沿把PN结熔穿,金属膜连线,一个方法
9、：对浅结、小接触孔、大而厚的铝膜，要特别注意选择合金的温度和时间 另一个：在铝中掺硅，对于结深小的器件，硅含量小于2%；以便减小吃硅现象。铝硅合金硬度比硅高，防止划伤，但含量不能太高（大于2%），含量太高易吸出，使接触电阻增大，甚至脱键现象。,扩散区连线,在双极集成电路中，基区扩散层电阻较大，一般不用它作内连接。 MOS管的源漏区扩散区的薄层电阻较小，有时用之 一般是源、漏延长而成，但它增加了PN结电容，所以不得已才使用之。,多晶硅连线,采用多晶硅栅工艺，可以用于传输小电流的连线。MOS管中，前级输出到下一级输入栅之间的连线，一般只流过瞬态电流，多晶硅作此连线最合适不过了，掺杂多晶硅的电阻可作的很小；当尺寸进一步缩小，多晶硅连线电阻变大，可用TI W MO的硅化物作连线。,交叉连线,利用基区扩散电阻 利用双基极和双集电极之间的距离进行交叉连线（增S；增寄生C） 利用磷桥做交叉连线（增S；增R；但不用电源和地线） 利用隔离槽，隔离槽电阻很低，但固定接地和负电源，限制了它的使用 在硅栅集成电路中，通常把多晶硅作为一层布线，有于多晶硅上生长一层厚的SIO2，所以可以在其上走铝线，较好地解决交叉连接问题。,交叉连线,两层金属布线垂直交叉，上下层连线需要连接的地方开一个通孔，两层之间有绝缘层将它们分开。,
