3. Конденсаторы
В ИС используются конденсаторы двух типов: тонкопленочные и конденсаторы, основанные на использовании барьерной емкости p-n-перехода.
Тонкопленочные конденсаторы (рис. 2.50, а), представляют собой трехслойную структуру металл – диэлектрик—металл.
Рис. 2.50. Структура тонкопленочного конденсатора (a), структура конденсатора, у которого роль обкладки выполняет кремниевая подложка (б), и его эквивалентная схема (в): 1 – диэлектрик; 2 – обкладки конденсатора; 3 – подложка; 4 эпитаксиальный слой; А, В – выводы
В качестве диэлектрика обычно используют оксид тантала Ta2O5, сульфид цинка ZnS, оксид алюминия Al2O3 и монооксид кремния SiO или германия GeO и др.
Тонкопленочные конденсаторы неполярны, имеют удовлетворительную добротность. Для увеличения емкости их в отдельных случаях выполняют многослойными. Однако при изготовлении приходится сталкиваться с трудностями получения бездефектных диэлектрических пленок малой толщины (порядка 0,05 мкм). Поэтому достаточно сложно выполнить по этой технологии конденсаторы с большой емкостью.
В ряде случаев одной из обкладок конденсатора является кремниевая подложка (в случае монолитных ИС), на которой методом окисления получен слой диэлектрика SiO2. На диэлектриках, в свою очередь, напылена вторая обкладка. Структура и эквивалентная схема такого конденсатора показаны на рис.2.50 б, в. Как видно из эквивалентной схемы, кроме емкости С имеется ряд дополнительных элементов: сопротивление R1, характеризующее неидеальность диэлектрика и наличие объемного сопротивления у слоя p емкость C1 между слоем p и эпитаксиальным слоем; диод VD, который при неправильно выбранном потенциале между соответствующими электродами может открыться.
Конденсаторы полупроводниковых ИС могут выполняться в виде запертого p-n-перехода. Технология их изготовления аналогична технологии изготовления резисторов. Их также создают одновременно с формированием соответствующих областей транзисторов. Поэтому удельная емкость и все свойства конденсаторов определяются требованиями, которые необходимо выполнить для получения у транзисторов оптимальных характеристик. Структура конденсатора монолитных ИС и его эквивалентная схема показаны на рис. 2.51, а, б.
Эквивалентная схема кроме полезной емкости С, образованной p-n-переходом VD1, содержит паразитные элементы: p-n-переход VD2, образовавшийся между эпитаксиальным слоем и подложкой, создающей емкость C1; сопротивление R≈10-60 Ом, обусловленное наличием объемного сопротивления у слоя p.
Рис. 2.51. Структура конденсатора монолитных ИС (а); его эквивалентная схема (б); пленочная индуктивная катушка (в); структура полевого транзистора, выполненного по технологии КНС (г): 1 – эпитаксиальный слой; 2 – подложка; 3 – тонкая пленка; А, В – выводы
Такой конденсатор является полярным, его емкость изменяется в зависимости от значения приложенного напряжения. Кроме того, наличие паразитной емкости создает паразитную связь конденсатора с подложкой. Другие элементы ИС также имеют емкостную связь с подложкой.
Рассмотренные способы не позволяют изготовлять емкости, удельное значение которых более 1600 пФ/мм2, поэтому ИС проектируют так, чтобы в них по возможности отсутствовали конденсаторы.