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无源器件主要包括电阻,电容等,以及制作的方法介绍详解

信息来源:本站 日期:2017-09-25 

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无源器件

在模拟集成电路中的无源器件主要是指电阻、电容、电感等,精密的电阻、电容是MOS模拟电路设计所要求的主要基本元件,电阻或电容在电路应用中最关键的是要提供精确的元件值,但在人多数情况下,电阻或电容的绝对值不如它们的比值那么重要。

电阻


电阻是模拟电路的最基本的元件,在集成电路中有多种设计和制造方法,并有无源电阻与有源电阻之分。无源电阻的大小一般以方块数来表示,其绝对值为

式(1.59)中R□为单位方块电阻值,L和W分别是指电阻的长度与宽度,若假定这些参数是统计无关的,则电阻值的偏差可表示为

在大多数情况下,由于L都很大,所以式(1.60)可简化为

通常对于式(1.61)中第一项偏差,离子注入电阻比扩散电阻要小,衬底硅电阻比多晶硅电阻要小(多晶硅材料晶粒结构变化增加所致):第二项偏差,随着光刻技术特别是干法刻蚀,即等离子刻蚀技术的出现,该项偏差大大减小。

由于在制造过程中,电阻的绝对值存在必然的偏差,因此在模拟集成电路设计中尽可能转换成电阻的相对晕,即电阻比值,并叮以采用对称叉指式设计布局以补偿薄层电阻与条宽范围的梯度变化,提高电路的性能。

在电阻设计时还需注意相对于衬底的寄生电容可能把一些高频噪声通过电阻叠加在有用信号上,所以在设计时对一蝗有特殊要求的电阻必须加电屏蔽(如阱接地,采用多晶电阻或双多晶结构)。

下面根据电阻制作的方法进行介绍。

1.源/漏扩散电阻

在金属栅与硅栅技术的NMOS和CMOS工艺中,可以制作此类电阻,它是与MOS管的源/漏区同时制成的,其剖面结构如图1.21所示。

该类电阻的方块电阻值为R□=20~100Ω(最大为lMΩ),在需要较大电阻时,需要很多方块(如1MΩ时,需10000方块),占用很大面积,所以一般不用扩散电阻制作大阻值的电阻。

此类电阻的误差为土0%,温度系数为5OO~l5OOx10-6℃,电压系数为100~500xlO-6/V;

另外还存在大的寄生电容(N+P结电容),并且由于存在浅结,所以会产生压电电阻效应,从而会产生进一步的误差,不能用做精密电阻。

2.N阱(P阱)扩散电阻(阱电阻或沟道电阻)

在CMOS金属栅和硅栅工艺中可以制作此类电阻,其剖面结构如图1.22所示。

无源器件

无源器件

该类结构的方块电阻值较大,一般为R□=1000~5000Ω,,并且其薄层电阻值更高。但由于阱的扩散深度及其引起的横向扩散约有5~10μm,使电阻条不可能做得很窄;且电阻条之间不需要设计出沟道截止环,以消除电阻间的表面反型层漏电流,因此在制作大电阻时,其而积也较大。

另外这类电阻具有大的电压系数,且电阻误差为土40%。

3.注入电阻

在NMOS和CMOS的金属栅与硅栅工艺中可以制作此类电阻,由于离子注入可以精确控制掺杂浓度和注入深度,并且横向扩散小,因此,其电阻阻值易于控制,但需要一次额外的掩模,其剖而结构如阁1.23所示,图中CVD (Chemical Vapor Deposition) Si02表示的是化学气目淀积二氧化硅。

其方块电阻值为R□>500~1000Q(最大为1MΩ),注入电阻可以制作较人电阻而不用占很大面积,但离子注入层与衬底之间所形成的PN结存在不同的反偏时,耗尽层宽度不同,因此导电层内的载流子流量会发生变化,所以电阻的线性度不理想,电压系数高,并且由于氧化层表面电荷的影响,导电层表面的载流子浓度也不稳定,因此大电阻的精度受一定的限制。这类电阻具有小的温度系数,但很难消除压电电阻效应。

另外,电阻注入可以与耗尽层的注入相结合。

4.多晶电阻

这是在NMOS与CMOS硅栅工艺中使用最多的一类电阻,其剖面结构如图1.24所示。
无源器件
无源器件

该类电阻的方块电阻为R□=30~200Ω(与源/漏同时扩散)。制作大电阻时,可另外再加上一次光刻,用离子注入较小剂量来实现,其阻值可达10KΩ/口。但多晶硅电阻的薄层电阻大小,除与离子注入剂量有关外,还与多晶硅的厚度,多晶硅的淀积质量等有关,因此难以用来制作精密电阻。

此类电阻的温度系数为500~1500x10-6/℃,电阻误差较大,但可以通过激光与多晶丝来调节电阻值,且由于多晶硅下面有厚的氧化层与电路隔离,其寄生电容大大减小。

5.薄膜电阻

应用在NMOS和CMOS的金属栅与硅栅工艺中,需要额外的工艺步骤,通过溅射方法把Ni-Cr、Cr-Si或Mo(钼)按一定比例成分淀积在硅片的绝缘层上实现,电阻的方块电阻值可由所用材料的性质比例成分和淀积层厚度决定,一般情况下,薄膜厚度为几百至几千埃(A),方块电阻:Ni-Cr为几百欧/方块,Cr-Si为几百至几千欧/方块,薄膜电阻的线性度最好,电压系数很小,温度系数也小(约1OOx1O-6/℃),与MOS的其他工艺条件无关;并且可以用激光修正、氧化、退火等提高电阻的精度。


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