Требования к интегральным конденсаторам зависят от функций, которые они выполняют в схеме. Блокировочные конденсаторы в цепях питания и опорных напряжений должны иметь максимально возможную величину. Требования к воспроизводимости, идентичности и отсутствию модуляции емкости напряжением обычно не предъявляются. Для разделительных конденсаторов в радиосхемах очень важно отсутствие модуляции емкости напряжением. При такой модуляции в спектре появляются новые гармонические составляющие, которых не было в исходном сигнале. Большие величины емкости и высокая идентичность обычно не требуются. Наиболее жесткие требования к конденсаторам предъявляются в схемах активных частотных фильтров и в схемах на переключаемых конденсаторах. Для фильтров требуются точные значения емкости при отсутствии ее модуляции. Сложности изготовления точных интегральных конденсаторов ограничивают применение в микросхемах активных фильтров. В аналоговых схемах на основе переключаемых конденсаторов резисторы не используются. Конденсаторы обеспечивают деление и сложение зарядов в соответствии с отношением их емкостей. В таких схемах требуются конденсаторы без модуляции емкости напряжением, с высокой идентичностью параметров одинаковых элементов и низким последовательным сопротивлением. Большие величины емкости и точность их номинальных значений обычно не требуются.
Блокировочные конденсаторы в биполярных схемах создаются на основе p—n— переходов транзисторных структур. В КМОП схемах – на основе затворной емкости полевого транзистора. Большие величины емкости достигаются за счет использования площади кристалла, не занятой активными элементами. Существуют программы для автоматической генерации блокировочных конденсаторов в свободных от транзисторов местах. Форма электродов конденсаторов получается произвольная. Использование таких конденсаторов не требует дополнительных технологических операций. Суммарная емкость всех блокировочных конденсаторов на кристалле микросхемы достигает нескольких десятков нФ.
Разделительные конденсаторы в радиосхемах чаще всего создаются на основе системы металлизированных соединений. Наибольшую удельную емкость имеет структура нижнего уровня пересечений проводников (легированный поликремний – нитрид кремния (0,3 мкм) – первый уровень металлизации) – 0,6 фФ/мкм2. Если необходимо увеличить удельную емкость, то в структуре конденсатора собираются все чередующиеся слои металлизации и изоляции. Удельная емкость многослойной структуры достигает 1,2 фФ/мкм2. Создание таких конденсаторов также не требует дополнительных технологических операций, однако для их размещения необходима дополнительная площадь на кристалле. Суммарная емкость конденсаторов – несколько нФ.
Схемы на переключаемых конденсаторах создаются только на основе КМОП – технологии. Конденсаторы имеют структуру металл – диэлектрик – металл. Для верхнего электрода конденсатора используется слой верхнего уровня металлизированных соединений. Для нижнего электрода – специальный слой тонкого металла. Тонкий металл наносится на последний планаризованный слой изолирующего диэлектрика. Сверху создается тонкий непланаризованный слой конденсаторного диэлектрика. Далее следует сложная операция вскрытия межуровневых контактных окон в диэлектриках разной толщины. Травление окон в тонком диэлектрике (~0,1 мкм) должно остановиться при достижении нижнего электрода конденсатора, а при травлении толстого (~1 мкм) необходимо дойти до поверхности предпоследнего уровня соединений. Селективность плазмохимического процесса травления диэлектрика и металла должна быть больше чем 1:20. Последующая операция заполнения контактных окон металлом также осложняется разной толщиной диэлектриков. При формировании верхнего уровня металлизированных соединений и электродов конденсаторов используется слой металла наибольшей толщины (1,0¸1,5 мкм), что облегчает соединение элементов по структуре с рельефом (~0,4 мкм) и уменьшает сопротивление шин питания. Конструкция точных конденсаторов включает не только два емкостных электрода, но и экранирующие заземленные электроды в последнем и предпоследнем уровнях металлизации. Заземленные электроды окружают конденсатор и снизу, и с боков, экранируя емкостные связи с другими элементами схемы. Такая сложная конструкция обеспечивает снижение последовательного сопротивления до величины менее 1 Ом и отклонения величин емкости идентичных конденсаторов менее 0,1%. Дополнительные операции для создания точных конденсаторов увеличивают стоимость производства микросхем. Практически используемая суммарная емкость точных конденсаторов не более одной нФ. Удельная емкость – 1 фФ/мкм 2.
14.4. Интегральные индукторы
Индукторы используются в структуре радиосхем в резонансных фильтрах и генераторах. Условие резонанса на рабочей частоте требует добротности L—C контура не менее 10, а собственная резонансная частота индуктора (с собственной паразитной емкостью) должна превышать рабочую частоту не менее чем в три раза. Выполнить эти условия на частотах менее 100 МГц очень трудно, а площадь индукторов слишком велика. Интегральные индукторы эффективно применяются в микросхемах в диапазоне частот 1,0¸10 ГГц. При этом величины индуктивности не превышают 30 нГ. Грубую оценку размеров индуктора можно получить, считая удельную индуктивность проводников равной 2 нГ/мм. При шаге размещения проводников 20 мкм максимальный индуктор 30 нГ займет площадь 0,3 мм2.
Элементы схемы и проводники размещать под индуктором не рекомендуется. Электромагнитная связь ухудшает параметры индукторов и создает помехи в элементах схемы.
Оптимальная конструкция интегрального индуктора – это плоская спираль с числом витков от 3 до 8. Центральная часть спирали не используется. Отношение внешнего и внутреннего радиусов примерно 2 к 1. В ряде случаев средства проектирования не позволяют сформировать гладкую спираль. В этом случае спираль аппроксимируется фрагментами восьмиугольников с углами 135°. Наихудшим вариантом считается квадратная спираль, которая имеет увеличенные потери на излучение и дополнительные потери на разогрев при концентрации тока на внутренних углах. Индукторы с размещением секций одна над другой в разных уровнях металлизации считаются неоптимальными. Увеличение удельной индуктивности меньше, чем увеличение сопротивления за счет вклада переходных окон и большего сопротивления нижних уровней металлизации.
Добротность индуктора зависит от потерь энергии на разогрев проводников, на возбуждение токов Фуко в подложке и на излучение. Проектирование индукторов включает достаточно сложный процесс оптимизации их конструкции. Снижение потерь на разогрев достигается использованием металлической пленки увеличенной толщины (2¸3 мкм). Иногда для этих целей применяются медь или золото. Во многих случаях металлизация индукторов используется и как верхний уровень электрических проводников микросхемы. При этом требуется увеличить как ширину всех проводников верхнего уровня, так и зазоры между ними. В наиболее сложных технологических вариантах металл индуктора наносится на дополнительный органический слой (полиимид) толщиной не менее 5 мкм. Затем органический слой удаляется с участков, не покрытых металлом индуктора.
Размеры интегрального индуктора всегда много больше, чем расстояние до подложки. Переменное электромагнитное поле проникает в подложку, возбуждая в ней как гальванический ток, так и ток смещения. В структурах на изолирующих подложках (арсенид галлия, сапфир) гальваническими токами можно пренебречь. Суммарные омические и диэлектрические потери позволяют создавать индукторы с добротностью 20¸30. Если перенести структуру такого же индуктора на стандартную кремниевую подложку, то добротность падает примерно в 10 раз. Гальванический ток, возбуждаемый переменным электромагнитным полем, направлен навстречу току индуктора и уменьшает индуктивность структуры. Хуже всего то, что добротность снижается, а индуктивность зависит от частоты сигнала. Уменьшение наведенных токов в подложке достигается увеличением ее удельного сопротивления (не менее 20 Ом´см), исключением всех легированных структур под индуктором, увеличением толщины диэлектрика, экранированием подложки в нижнем уровне металлизации. Экранирующая металлизированная структура имеет форму звезды, с лучами, исходящими от центра индуктора. Проводники, образующие лучи этой звезды, гальванически изолированы. Экран ослабляет электромагнитное поле в подложке, но препятствует протеканию в нем наведенных токов, так как изолирующие зазоры в экранирующих проводниках направлены перпендикулярно направлению наведенных токов. Используемые в кремниевых микросхемах индукторы имеют добротность от 6 до 10 на частоте 10 ГГц и индуктивность от 3 до 15 нГ.
14.5. Пассивные элементы на основе волноводов
Пассивные элементы с сосредоточенными параметрами на высоких частотах взаимодействуют между собой не только через проводники, но и через электромагнитное поле. Электрическая схема становится неуправляемой. На частоте 10 ГГц длина волны в диэлектрике 10¸15 мм.
В структуре микросхемы можно создать распределенные электромагнитные элементы на основе волноводов.
Волновод – это двухпроводная линия связи, один из проводников которой заземлен для высокочастотных составляющих сигнала и экранирует другой. Скорость сигнала в волноводе равна скорости электромагнитной волны в окружающем диэлектрике. В интегральной технологии используются два типа волноводов: копланарные (все проводники в одном уровне металлизации) и микрополосковые (сигнальные и экранирующие проводники в разных уровнях металлизации). В микросхемах на изолирующих подложках (сапфир, арсенид галлия) преобладают более простые и лучше воспроизводимые копланарные структуры. На кремниевых подложках требуется экранирование от потерь и преобладают микрополосковые волноводы.
Отметим некоторые свойства волноводов. Разомкнутый волновод длиной менее четверти длины волны ведет себя как конденсатор. Волновод, замкнутый на удаленном конце по высокочастотной составляющей, длиной в четверть длины волны действует как высокочастотный изолятор. Разомкнутый на конце волновод длиной в половину длины волны действует как резонатор. Известно множество структур на основе волноводов.
Загрузка...
