КОНСТРУКЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ РЕЗИСТОРОВ В МИКРОСХЕМАХ НА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СТРУКТУРАХ АРСЕНИДА ГАЛЛИЯ

Конструкция интегральных резисторов в микросхемах на эпитаксиальных структурах арсенида галлия
Полезная модель относится к микроэлектронике, в частности к проектированию и изготовлению интегральных резисторов в составе монолитных интегральных схем на эпитаксиальных структурах арсенида галлия.
Известны резисторы, которые сформированы из монокристаллического полупроводника, электропроводность которого обеспечивается соответствующим легированием.
14
Известен полупроводниковый резистор и способ его изготовления, включающий монокристаллическое полупроводниковое тело - рабочую область и две контактные площадки - омические контакты, электропроводность рабочей области создается равномерно распределенными атомами примеси и имеющими концентрацию, большую 10 см3 [Патент США N 3181097, кл. 338-22, 1965.].
Известны полупроводниковые интегральные резисторы в составе микросхем и их конструкция, приведенные в книге Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. в 3-х разделах / Л.А. Торгонский, - Томск: ТУСУР, 2011, раздел 1, С. 133-135
За прототип предлагаемой полезной модели приняты интегральные резисторы, изготавливаемые на одной микросхеме с полевыми транзисторами Шоттки, далее - ПТШ, и другими элементами микросхемы на структурах арсенида галлия, конструкция прототипа и способ изготовления приведены в работе Sammy Kayali. GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applications / Sammy Kayali, George Ponchak, Roland Shaw // JPL Publication 96-25, - 1996. December 15. p. 56-58, 64-70., конструкция состоит из полупроводниковой рабочей области, сформированной, например, в эпитаксиальном слое арсенида галлия, путем протонирования и жидкостного травления, и сформированных в этой области омических контактов. Здесь протонирование - процесс создания изоляции в микросхемах на арсениде галлия, путем ионной имплантации ионов водорода и протонов -ядер атома водорода, в поверхностный слой полупроводника, иногда вместо водорода и протонов используются ионы бора.
Согласно прототипу конструкция интегрального резистора представляет собой полупроводниковую рабочую область аналогичную каналу ПТШ или FET-каналу, на краях которой сформированы омические контакты к резистору.
Рабочая область, как правило, но не обязательно, это прямоугольная полоса, сформированная в поверхностном слое полупроводника с определенным слоевым сопротивлением, в нашем случае это специально выращенный эпитаксиальный n-слой, для резисторов больших номиналов используется топология в виде меандра.
Основные этапы формирования интегральных резисторов, (осуществляются, как правило, параллельно с формированием канала ПТШ), следующие:
формирование омических контактов;
формирование изоляции, путем протонирования, при этом формируется рабочая область интегральных резисторов;
химическое травление рабочей области резисторов, при этом происходит подгонка интегральных резисторов до заданных сопротивлений, (данная технологическая операция может быть, как совмещена, так и разнесена по времени с травлением канала ПТШ).
Необходимо отметить, что по приведенной технологии могут быть изготовлены эпитаксиальные резисторы на арсениде галлия и как самостоятельные полупроводниковые приборы, не входящие в состав интегральных микросхем.
Интегральные резисторы аналогичной конструкции входят в состав ряда микросхем на арсениде галлия, разработанных ОАО «ОКБ-Планета», г. Великий Новгород, технологический маршрут 7610849.10200.00254 и др.
Однако, как известно, при изготовлении интегральных резисторов, во время жидкостного травления, разные области GaAs травятся с разной скоростью в зависимости от их размера, количества и площади омических контактов, гальванически связанных с областью травления и окружающих эту область - Петрова Т.С. Влияние конструктивных и технологических особенностей на статические параметры МИС на GaAs на основе ПТШ с углубленным затвором / Т.С. Петрова // Доклады ТУСУРа, - 2009. No. 1 (19), часть 1. Расстояние от омических контактов до травящейся области так же влияет на скорость травления.
Конструкция, а, следовательно, и топология резисторов определяется, кроме прочих факторов, номиналом резистора, как следствие интегральные резисторы разных номиналов в конкретной микросхеме имеют разную топологию и, в результате, при подгонке жидкостным травлением, травятся с разной скоростью. Поэтому для разных интегральных резисторов получаем разную толщину эпитаксиального n-слоя, в котором формируются рабочие области интегральных резисторов, разная толщина слоя приводит к их разному слоевому сопротивлению. Как следствие, получаем большой технологический разброс величины сопротивления этих интегральных резисторов - значения сопротивлений различных по величине интегральных резисторов будут по-разному отклоняться от их номиналов. Получается, что при подгонке с помощью жидкостного травления сопротивления одного интегрального резистора, другой интегральный резистор либо остается «недотравленным», либо «перетравливается», что является большим недостатком прототипа, так как нарушает соотношение величин сопротивлений разных интегральных резисторов, заданное при проектировании схемы.
Техническая проблема, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании конструкции интегральных резисторов, которая позволит при операции жидкостного травления оперировать с топологически одинаковыми областями, для конкретной микросхемы, что, в свою очередь, позволяет получить одинаковое слоевое сопротивление рабочей области для интегральных резисторов различных номиналов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание конструкции интегральных резисторов на эпитаксиальных структурах арсенида галлия с минимальным технологическим разбросом величины сопротивлений.
Технический результат достигается за счет конструкции интегральных резисторов в микросхемах на эпитаксиальных структурах арсенида галлия, содержащей сформированные в эпитаксиальном слое арсенида галлия путем протонирования и жидкостного травления полупроводниковые рабочие области интегральных резисторов и сформированные в этих областях омические контакты, причем рабочие области интегральных резисторов различного номинала состоят из соединенных необходимым образом элементарных резисторов с одинаковым слоевым сопротивлением, которые получены при помощи жидкостного травления топологически одинаковых для конкретной микросхемы областей эпитаксиальных структур арсенида галлия, при этом топология интегральных резисторов и топология элементарных резисторов определяются соотношением:
где
R - номинал резистора,
n - количество параллельных подключений,
N - количество последовательно подключенных элементарных резисторов на одно параллельное подключение,
ρn - слоевое сопротивление протравленного эпитаксиального слоя формирующего рабочую область резистора,
ρок - слоевое сопротивление омических контактов,
Wn - ширина рабочей области интегрального резистора равная ширине рабочей области элементарных резисторов составляющих этот интегральный резистор,
Wок - ширина омических контактов в топологически одинаковых областях,
ln - длина элементарного резистора, размер вдоль линии протекания тока,
lок - длина омических контактов, размер вдоль линии протекания тока.
Предлагаемая конструкция интегральных резисторов делает возможным при их изготовлении на операции жидкостного травления оперировать с топологически одинаковыми для конкретной микросхемы областями, назовем эти области «заготовками для изготовления интегральных резисторов» или просто «заготовками резисторов», что позволяет получить одинаковое слоевое сопротивление в рабочих областях интегральных резисторов.
На фигуре 1 показана область полупроводниковой пластины с расположенной в ней заготовкой резистора.
На фигуре 2 показаны конструкции интегральных резисторов различных номиналов, входящих в состав конкретной микросхемы.
На фигурах 1 и 2 обозначено:
1. - прямоугольная область заготовки резисторов;
2. - омические контакты;
3. - области травления GaAs, расположенные между омическими контактами - фигура 1, рабочие области элементарных резисторов - фигура 2;
4. - рабочая область интегрального резистора;
5. - верхний слой металлизации микросхемы;
+
6. - эпитаксиальный слой GaAs n типа - сильнолегированный подконтактный слой электронного типа проводимости;
7. - эпитаксиальный слой GaAs n типа - слой электронного типа проводимости, в котором формируются рабочие области интегральных резисторов;
8. - область изоляции - область протонирования;
GaAs - i - полуизолирующая полупроводниковая подложка арсенида галлия i типа -нелегированная.
lок - длина омических контактов, размер вдоль линии протекания тока;
ln - длина элементарного резистора, размер вдоль линии протекания тока;
Wок - общая ширина омических контактов, равная ширине заготовок резисторов;
L - общая длина заготовки резистора;
N - количество последовательно подключенных элементарных резисторов на одно параллельное подключение, для фиг. 2 а) N=1, для фиг. 2 б) N=3, для фиг. 2 в) N=48 - четыре рабочие области, содержащие по 12 элементарных резисторов;
n - количество параллельных подключений, для фиг. 2 а) n=12, для фиг. 2 б) n=4, для фиг. 2 в) n=1;
Wn - ширина рабочей области интегрального резистора равная ширине рабочей области элементарных резисторов составляющих этот интегральный резистор.
Заготовка резистора представляет собой прямоугольную область - 1, изолированную от остальных элементов схемы. Заготовку через равные промежутки в направлении параллельном одной из сторон пересекают узкие длинные омические контакты - 2 и делят ее на отдельные области травления арсенида галлия - 3, заключенные между двумя соседними омическими контактами - будущие элементарные резисторы.
Ширина заготовки - Wок определяется исходя из величины сопротивления наименьшего по номиналу интегрального резистора в конкретной микросхеме, длина заготовки - L определяется исходя из величины сопротивления наибольшего по номиналу интегрального резистора.
При необходимости изготовления резисторов с большим, например, более килоома, номиналом узкие длинные омические контакты могут быть прерывистыми, по типу штриховой линии. Зазор, между отдельными «штрихами» такого контакта должен быть минимально необходимым. Омические контакты должны занимать значительную, до 50% и более, часть площади заготовок. Это сделано для того, чтобы минимизировать влияние на скорость травления эпитаксиальных слоев GaAs в области заготовок других элементов микросхемы содержащих омические контакты. Конкретное соотношение площадей омических контактов и области травления определяется эмпирически и зависит от топологии как самих интегральных резисторов, так и микросхемы в целом, чем более «насыщена» омическими контактами в целом топология схемы, особенно области прилегающие к области травления, тем более «насыщена» омическими контактами должна быть область травления.
Еще одним необходимым условием в конструкции заготовок является то, что все заготовки, вне зависимости от номинала будущего интегрального резистора должны быть одинаковыми для конкретной микросхемы, т.е. иметь идентичную топологию.
Эти топологически одинаковые заготовки резисторов и будут подвергнуты жидкостному тралению при изготовлении интегральных резисторов.
Выполнение приведенных двух необходимых условий для конкретной микросхемы позволяет травить эпитаксиальные слои в области заготовок резисторов с максимально одинаковой скоростью, за счет этого достигнута равномерность слоевого сопротивления во всех заготовках резисторов разных номиналов, а следовательно и все элементарные резисторы будут иметь одинаковое слоевое сопротивление.
Исходя из того, что все заготовки должны быть топологически одинаковыми для конкретной микросхемы, можно сформулировать начальные условия определения геометрических размеров заготовок резисторов. Далее равенство величины константе означает, что данная величина не должна меняться от интегрального резистора к интегральному резистору вне зависимости от разных номиналов интегральных резисторов внутри конкретной микросхемы:
1) N⋅n=const - общее количество элементарных резисторов в заготовке, определяется при проектировании исходя из заданного значения слоевого сопротивления, величины сопротивления самого большого интегрального резистора схемы, наличия свободного места под резисторы в топологии микросхемы, топологией как самих интегральных резисторов, так и микросхемы в целом, чем более «насыщена» омическими контактами в целом топология микросхемы, тем более «насыщена» омическими контактами должна быть область травления - тем больше элементарных резисторов, а также исходя из возможностей техпроцессов применяемых на производстве, в частности от возможностей литографических процессов и пр.
2) ρn=const - слоевое сопротивление протравленного эпитаксиального слоя формирующего рабочие области интегральных резисторов, задается при проектировании и определяется характеристиками эпитаксиального n - слоя арсенида галлия.
3) ρок=const - слоевое сопротивление омических контактов, определяется экспериментально или рассчитывается исходя из удельного сопротивления материалов омического контакта и его конструкции.
4) lок=const, ln=const, lок - длина омических контактов и ln - длина элементарных резисторов в заготовке, задаются при проектировании исходя из характеристик интегрального резистора, из наличия свободного места под резисторы в топологии схемы и лимитируются возможностями литографических процессов.
На фигуре 2 показана составная конструкция интегральных резисторов - все интегральные резисторы состоят из элементарных резисторов - 3, причем рабочие области элементарных резисторов травятся в составе топологически одинаковых заготовок резисторов, а окончательно формируются протонированием уже после травления эпитаксиальных слоев.
Элементарные резисторы в результате различного подключения, последовательного или параллельного, или комбинации последовательных и параллельных подключений, в электрическую цепь интегрального резистора, определяют номинал интегрального резистора. Непрерывность изменения номиналов для разных интегральных резисторов обеспечивается изменением ширины рабочей области элементарных резисторов.
Подключения элементарных резисторов реализуются при помощи верхнего слоя металлизации микросхемы.
Количество элементарных резисторов - N⋅n в интегральном резисторе заданного номинала R, ширина области заготовки, она же общая ширина омических контактов - Wок, ширина рабочей области интегрального резистора - Wn, длина элементарного резистора - ln, длина омических контактов - lок связаны между собой формулой 1.
Изменения в конструкции интегральных резисторов в зависимости от номинала показаны на фигуре 2, где:
а) - пример конструкции интегрального резистора с величиной сопротивления в несколько ом;
б) - пример конструкции интегрального резистора с величиной сопротивления в несколько десятков или сотен ом;
в) - пример конструкции интегрального резистора с величиной сопротивления в несколько килоом.
Равенство слоевых сопротивлений в рабочих областях элементарных резисторов составляющих различные интегральные резисторы приводит к минимизации технологического разброса величины сопротивлений интегральных резисторов, формируемых при помощи жидкостного травления, поэтому можно сделать вывод о том, что технический результат достигнут полностью.
Кроме этого минимизация технологического разброса позволяет сохранить соотношение величин сопротивлений разных интегральных резисторов, близким к соотношению, заложенному в проекте, что способствует увеличению процента выхода годных микросхем, улучшению характеристик микросхемы в целом и особенно для схем, где такое соотношение играет решающую роль, например в аттенюаторах СВЧ сигнала, входных делителях АЦП и ЦАП, схемах опорных напряжений, прецизионных операционных усилителях и т.д.
Пример.
Предлагаемая полезная модель «Конструкция интегральных резисторов в микросхемах на эпитаксиальных структурах арсенида галлия» проиллюстрирована на примере интегральных резисторов в составе монолитной интегральной схемы аттенюатора, где разброс и соотношение величин электрических сопротивлений резисторов играет определяющую роль.
В таблице представлены для сравнения значения сопротивлений интегральных резисторов, изготовленных в соответствии с конструкцией по прототипу и в соответствии с конструкцией по предлагаемой полезной модели.
Для того, чтобы сравнить результаты по всем группам резисторов, от «низкоомных» до «высокоомных», сравниваются не абсолютные, а относительные значения их сопротивлений, т.е. средние реальные значения сопротивлений, отнесенные к номинальным, очевидно, что для относительных значений номиналом является единица.
Для сравнения результатов выбрана величина технологического разброса значений электрического сопротивления резисторов, определяемая как разница между максимальной и минимальной величиной отклонения относительных значений от единицы, т.е. от номинального значения.
Из таблицы видно, что разброс относительной величины сопротивлений интегральных резисторов, изготовленных в соответствии с конструкцией по прототипу составляет 0.39, а в соответствии с предлагаемой по полезной модели конструкцией интегральных резисторов на эпитаксиальных структурах арсенида галлия - 0.08, то есть почти в 5 раз меньше, что подтверждает достижение предлагаемой полезной моделью поставленного технического результата.