第3章集成电路中的无源元件

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1、12022-5-31第三章第三章 集成电路中的无源元件集成电路中的无源元件 3.1 集成电阻器集成电阻器3.2 集成电容器集成电容器3.3 互连（内连线）互连（内连线）22022-5-313.1 集成电阻器集成电阻器 电阻是基本的元件，在集成工艺技术中有多种设计电阻是基本的元件，在集成工艺技术中有多种设计与制造电阻的方法，根据阻值和精度的要求可以选择与制造电阻的方法，根据阻值和精度的要求可以选择不同的电阻结构和形状。不同的电阻结构和形状。 集成电路中的电阻分为集成电路中的电阻分为无源电阻和有源电阻无源电阻和有源电阻。无源。无源电阻通常是采用掺杂半导体或合金材料制作的电阻，电阻通常是采用掺杂半导

2、体或合金材料制作的电阻，而有源电阻则是将晶体管进行适当的连接和偏置，利而有源电阻则是将晶体管进行适当的连接和偏置，利用晶体管在不同的工作区所表现出来的不同的电阻特用晶体管在不同的工作区所表现出来的不同的电阻特性来做电阻。性来做电阻。32022-5-31 众所周知，掺杂半导体具有电阻特性，不同的掺杂浓度具众所周知，掺杂半导体具有电阻特性，不同的掺杂浓度具有不同的电阻率，正是利用掺杂半导体所具有的电阻特性，有不同的电阻率，正是利用掺杂半导体所具有的电阻特性，可以制造电路所需的电阻器。可以制造电路所需的电阻器。 所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式构造而成的电阻。所谓扩散电阻是指采用热扩散掺杂的方式

3、构造而成的电阻。这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度这是最常用的电阻之一，工艺简单且兼容性好，缺点是精度稍差。稍差。 制造扩散电阻的掺杂可以是工艺中的任何热扩散掺杂过程，制造扩散电阻的掺杂可以是工艺中的任何热扩散掺杂过程，可以掺可以掺N型或型或P型杂质，还可以是结构性的扩散电阻，例如型杂质，还可以是结构性的扩散电阻，例如在两层掺杂区之间的中间掺杂层，典型的结构是在两层掺杂区之间的中间掺杂层，典型的结构是N-P-N结构结构中的中的P型区，这种电阻又称为沟道电阻。当然，应该选择易型区，这种电阻又称为沟道电阻。当然，应该选择易于控制浓度误差的杂质层做电阻，保证扩散电阻的精度。于控制浓

4、度误差的杂质层做电阻，保证扩散电阻的精度。一、基区扩散电阻一、基区扩散电阻42022-5-31氧化膜氧化膜pnnP型扩散层型扩散层（电阻）（电阻）VCCLw N型外延层接电路的最高型外延层接电路的最高电位，或接至电阻器两端中电位，或接至电阻器两端中电位较高的一端。电位较高的一端。 在电阻的制作过程中，由在电阻的制作过程中，由于加工所引起的误差，如扩于加工所引起的误差，如扩散过程中的横向扩散、制版散过程中的横向扩散、制版和光刻过程中的图形宽度误和光刻过程中的图形宽度误差等，都会使电阻的实际尺差等，都会使电阻的实际尺寸偏离设计尺寸，导致电阻寸偏离设计尺寸，导致电阻值的误差。电阻条图形的宽值的误差。

5、电阻条图形的宽度度W越宽，相对误差越宽，相对误差W/W就越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差就越小，反之则越大。与宽度相比，长度的相对误差L/L则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，要选择合适的则可忽略。因此，对于有精度要求的电阻，要选择合适的宽度，如大于宽度，如大于20m，以减小电阻条图形误差引起的失配。，以减小电阻条图形误差引起的失配。52022-5-31氧化膜氧化膜pnnP型扩散层型扩散层（电阻）（电阻）VCCLw基区扩散电阻基区扩散电阻（Rs=100-200 / ) 电阻图形尺寸的计算电阻图形尺寸的计算 根据具体电路中对电阻根据具体电路中对电阻大小的要求，可以非常方大小的要求，

6、可以非常方便地进行电阻图形设计。便地进行电阻图形设计。设计的依据是工艺提供的设计的依据是工艺提供的掺杂区的方块电阻值和所掺杂区的方块电阻值和所需制作的电阻的阻值。一需制作的电阻的阻值。一旦选中了掺杂区的类型，旦选中了掺杂区的类型，可以依据下式计算。可以依据下式计算。WLRRs 62022-5-31 其中，其中， Rs（或（或R）是掺杂半导体薄层的薄层电阻，又）是掺杂半导体薄层的薄层电阻，又称方块电阻，称方块电阻，L是电阻条的长度，是电阻条的长度，W是电阻条的宽度，是电阻条的宽度，L/ /W是电阻所对应的图形的方块数。因此，只要知道掺杂是电阻所对应的图形的方块数。因此，只要知道掺杂区的方块电阻，

7、然后根据所需电阻的大小计算出需要多少区的方块电阻，然后根据所需电阻的大小计算出需要多少方块，再根据精度要求确定电阻条的宽度，就能够得到电方块，再根据精度要求确定电阻条的宽度，就能够得到电阻条的长度。阻条的长度。 当然，这样的计算是很粗糙的，因为在计算中并没有考当然，这样的计算是很粗糙的，因为在计算中并没有考虑电阻的折弯形状和端头形状对实际电阻值的影响，在实虑电阻的折弯形状和端头形状对实际电阻值的影响，在实际的设计中需根据具体的图形形状对计算加以修正，通常际的设计中需根据具体的图形形状对计算加以修正，通常的修正包括端头修正和拐角修正。的修正包括端头修正和拐角修正。WLRRs 72022-5-31

8、)255. 0(RsR21nkkxWLjc p端头修正端头修正p拐角修正因子拐角修正因子p横向扩散修正因子横向扩散修正因子p薄层电阻值薄层电阻值Rs的修正的修正82022-5-31端头修正端头修正 因为电子总是从电阻最小的地方流动，因此，从引线因为电子总是从电阻最小的地方流动，因此，从引线孔流入的电流，绝大部分是从引线孔正对着电阻条的一孔流入的电流，绝大部分是从引线孔正对着电阻条的一边流入的，从引线孔侧面和背面流入的电流极少，因此，边流入的，从引线孔侧面和背面流入的电流极少，因此，在计算端头处的电阻值时需要引入一些修正，称之为端在计算端头处的电阻值时需要引入一些修正，称之为端头修正。头修正。

9、端头修正常采用经验数据，以端头修正因子端头修正常采用经验数据，以端头修正因子k1表示整个表示整个端头对总电阻方块数的贡献。例如端头对总电阻方块数的贡献。例如k1=0.5，表示整个端头，表示整个端头对总电阻的贡献相当于对总电阻的贡献相当于0.5个方块数。个方块数。92022-5-31 图图3.2 给出了不同给出了不同电阻条宽和端头形状电阻条宽和端头形状的修正因子的经验数的修正因子的经验数据，图中的虚线是端据，图中的虚线是端头的内边界，它的尺头的内边界，它的尺寸通常为几何设计规寸通常为几何设计规则中扩散区对孔的覆则中扩散区对孔的覆盖数值。对于大电阻盖数值。对于大电阻LW情况，情况， 端头对端头对电

10、阻的贡献可以忽略电阻的贡献可以忽略不计。不计。102022-5-31 对于折弯形状的电阻，通常每对于折弯形状的电阻，通常每一直条的宽度都是相同的，在拐一直条的宽度都是相同的，在拐角处是一个正方形，但这个正方角处是一个正方形，但这个正方形不能作为一个电阻方来计算，形不能作为一个电阻方来计算，这是因为在拐角处的电流密度是这是因为在拐角处的电流密度是不均匀的，靠近内角处的电流密不均匀的，靠近内角处的电流密度大，靠近外角处的电流密度小。度大，靠近外角处的电流密度小。经验数据表明，拐角对电阻的贡经验数据表明，拐角对电阻的贡献只有献只有0.5个方块数，即拐角修正个方块数，即拐角修正因子因子k2=0.5。拐

11、角修正拐角修正112022-5-31横向扩散修正因子横向扩散修正因子横向扩散修正因子横向扩散修正因子m主要考虑以下两个方面：主要考虑以下两个方面： 由于存在横向扩散，所以基区扩散电阻的实际横截面如由于存在横向扩散，所以基区扩散电阻的实际横截面如图所示，在表面处最宽，即图所示，在表面处最宽，即 。 jcSxWW8 . 02 122022-5-31 杂质浓度在横向扩散器表面与扩散口正下方的表面区域杂质浓度在横向扩散器表面与扩散口正下方的表面区域不同，其浓度由扩散窗口处不同，其浓度由扩散窗口处Ns（6x1018cm-3）逐步降低到）逐步降低到外延层处的外延层处的Nepi（10151016cm-3）.