Bauelemente in monolithischen integrierten Schaltungen

Widerstände - zu ihrer Herstellung wird in der Regel die Basisdiffusion der npn-Transistoren mitverwendet (p-Typ-Widerstände). Für sehr niederohmige Widerstände (Größenordnung einige SZ) ist wegen der etwa 100fach höheren Dotierungsdichte die Emitterdifffusion vorteilhafter (n-Typ-Widerstände). Auch die Widerstände befinden sich auf einer „Isolationsinsel". Der unterschiedliche Leitfähigkeitstyp von Widerstandsbahnen und umgebendem Silizium bildet einen pn-Übergang, der in Sperrichtung betrieben wird. Hierdurch treten allerdings parasitäre Effekte auf (Kapazität, Leckwiderstand, Nichtlinearitäten).
Der ökonomisch herstellbare Widerstandsbereich ist meist auf Werte im Bereich von 19 ... 20 kΏ begrenzt (Ausnahme: MOS-Widerstände). Die Absoluttoleranzen liegen in der Größenordnung von ± 10 %., Relativtoleranzen sind dagegen erheblich kleiner (± 1 ... 2 ~/.). Ein 1-kΏ-Widerstand benötigt etwa die gleiche Chipfläche wie ein integrierter Transistor. Deshalb sind höhere Widerstandswerte unökonomisch (Auswirkung auf Schaltungskonzepte!).
Falls hohe Forderungen an die Genauigkeit, Linearität, an den TK, an Rauscharmut o. ä. bestehen, werden Dünnschichtwiderstände (Metallfilm < 1 µm dick) auf die Si0₂-Oberflächenschicht des Siliziumchips aufgedampft. Das erfordert aber zusätzliche Prozessschritte und verteuert den Schaltkreis.

Kapazitäten

Zur Herstellung integrierter Kapazitäten bestehen folgende Möglichkeiten

Struktur monolithisch integrierter Kondensatoren

1. MOS-Kapazität Typische Werte C < 200 pF (Flächenbedarf)

2. Sperrschichtkapazität eines gesperrten pn-Übergangs  Typische Werte C < 100 pF (Flächenbedarf).

Bei hohen Anforderungen hinsichtlich der Toleranzen, eines niedrigen Verlustwinkels o. ä. können analog zu den Widerständen Dünnschichtkondensatoren durch Aufdampfen zweier durch ein Dielektrikum getrennter Metallschichten auf die Schaltkreisoberfläche hergestellt werden.
Die Absoluttoleranzen der herstellbaren Kapazitätswerte liegen im Bereich von ±20 %, die Relativtoleranzen eng benachbarter Kondensatoren betragen nur ungefähr 2%

Induktivitäten

lassen sich praktisch nicht herstellen. doch auch hier wird getrickst: Leiterschleifen lassen sich mit relativ wenig Aufwand auf hochreine Glasplatten aufdampfen - Hybrid-Schaltungen sind also die Lösung auch für die Fertigung kleiner Induktivitäten

Bipolartransistoren

Integrierte Bipolartransistoren unterscheiden sich gegenüber diskreten Ausführungen vor allem dadurch, dass

1. zusätzlich zum Emitter- und Basisanschluss auch der Kollektoranschluss an die Oberfläche des Chips herausgeführt ist;

2. jede Kollektorinsel von der Umgebung (Substrat und Nachbarinseln) isoliert sein muss dadurch tritt unter anderem eine zusätzliche Kollektor-Substrat-Kapazität auf;

3. eng benachbarte Transistoren weitgehend gleiche Eigenschaften aufweisen (Wärmekontakt, gleicher Fertigungsprozess); das ermöglicht vorteilhafte Schaltungslösungen, die in der diskreten Schaltungstechnik nicht realisierbar sind.

Wegen des Punktes 1. ist der Kollektorbahnwiderstand größer als bei diskreten Bipolartransistoren. Er lässt sich durch eine „vergrabene Schicht" (buried layer, s, Diffusionsschritt 1 in Tafel 4.2) verringern. Diese stark n+-dotierte Schicht wird vor dem epitaktischen Aufwachsen des n+-Gebietes in das Substrat eindiffundiert. Besonders günstig lassen sich Transistoren mit gemeinsamer Kollektorzone realisieren (z. B. Darlingtonschaltungen), weil hierfür nur eine Kollektorinsel erforderlich ist und Chipfläche gespart wird.
Die Eigenschaften integrierter Bipolartransistoren hängen von zahlreichen Konstruktions- und Prozessparametern ab: von der Transistorgröße und -geometrie, von der Dotierungskonzentration, vom Dotierungsprofil, vom Ausgangsmaterial. Die Dotierungskonzentrationen und -profile werden in erster Linie durch die dominierenden npn-Transistorstrukturen bestimmt. Die größte Flexibilität beim Schaltkreisentwurf ist durch die Transistorgröße und -geometrie gegeben. Hierdurch lassen sich u. a. die parasitären Kapazitäten (Sperrschicht- und Isolationskapazität) beeinflussen. Zur Herstellung sehr hochfrequenter bzw. sehr schneller Schaltungen werden sehr kleine Transistorabmessungen benötigt (kleine parasitäre Kapazitäten).

Struktur monolithisch integrierter Bipolartransistoren

Eng benachbarte Transistoren auf einem Chip zeichnen sich durch weitgehend übereinstimmende Kennlinien aus (ß-Streuung < 10 ~/0,AUBE < 5 mV, U„-Drift < 10~tV/K). Bild 4.4a erläutert die typischen Größenabmessungen eines integrierten npn-Transistors.
pnp-Transistoren. Da zusätzliche Prozessschritte die Schaltkreiskosten merklich erhöhen, werden für komplementäre Transistorschaltungen trotz ungünstiger Eigenschaften (ß ,: 0,5 ... 10, hoher Kollektor- und Emitterbahnwiderstand, niedrige Grenzfrequenz) Lateraltransistoren als pnp-Typen verwendet (Bild 4.4 b). In diesen Strukturen fließt der Strom nicht vertikal, sondern parallel zur Oberfläche des Chips (lateral).
Wenn bessere Transistoreigenschaften nötig sind, besteht die Möglichkeit, Vertikal pnp-Transistoren (Substrat-Transistoren, Bild,4.4c) herzustellen. Das p-Substrat dient hierbei als Kollektor, und die epitaktische n-Schicht ist die Basis. Allerdings lassen sich mit solchen Transistoren nur Emitterfolgerschaltungen realisieren, weil der Kollektor stets fest am negativsten Schaltkreispotential liegen muss.
Schottky-Transistoren. In monolithischen Schaltkreisen unterscheidet man zwischen ohmschen und gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergängen. Auf Halbleiterzonen aufgedampfte Anschlusskontakte (Aluminium, z. B. Kollektor- und Emitteranschlüsse) müssen ohmsche Kontakte sein. Man realisiert sie, indem bei der Kontaktierung beispielsweise eines n-Gebietes (Kollektor) unmittelbar unter die aufgedampfte Aluminiumfläche eine n+-Zone eindiffundiert wird.
Ohne diese n+-Zone entsteht ein gleichrichtender Metall-Halbleiter-Übergang. Im Bild 4.5 a stellt Kontakt 1 eine Schottky-Barriere, Kontakt 2 dagegen einen ohmschen (nicht gleichrichtenden) Kontakt dar. Die Anordnung zwischen den Anschlüssen 1 und 2 ist eine Metall-Halbleiter-Diode (Schottky-Diode). Anschluss 1 ist die Anode. Bemerkenswert ist, dass sich eine Schottky-Diode einfacher herstellen lässt als ein pn-Übergang. 
Letzterer benötigt einen zusätzlichen p-Diffusionszyklus.
Der Stromfluss in einer Schottky-Diode wird von den Majoritätsladungsträgern hervorgerufen. Daher tritt im Gegensatz zum pn-Übergang keine Speicherzeit auf. In Durchlassrichtung fließen Elektronen aus dem n-Gebiet in den Metallkontakt (Anschluss 1) und

Struktur monolithisch integrierter Bipolartransistoren

Struktur monolithisch integrierter Bipolartransistoren

Struktur monolithisch integrierter Bipolartransistoren

Fotolithografischer Prozess