CN103811138A - 一种变方阻薄膜电阻网络 - Google Patents

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Abstract

一种变方阻薄膜电阻网络，涉及器件和信号测量领域，使用多晶硅薄膜电阻技术和表面微加工技术制作，包括中心薄膜电阻、旁路薄膜电阻、信号传输线以及地线共同形成的完整信号通路，如T型/π型网络，为了获得较大的衰减量，中心电阻和旁路电阻的差值非常大，采用相同方阻会带来尺寸跃变问题，本发明通过控制离子注入工艺条件，使中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻具有不同的杂质元素浓度，从而获得不同的方块电阻，有效调节了大幅度调整信号时电阻网络的长宽尺寸，同时，可以采用上述原理使相同尺寸的电阻网络具有不同的调整功能，与现有电阻网络相比，本发明能够节约结构面积，减小引入的寄生效应。

Description

一种变方阻薄膜电阻网络
技术领域
本发明属于器件和信号测量技术领域，特别涉及一种变方阻薄膜电阻网络。
背景技术
电阻网络可以对信号电平幅度调整，吸收输入功率，是测试仪器的前端模块中的关键结构。输入信号的动态幅度变化范围可达数个数量级，电阻网络不但可以扩大测试仪器的动态范围，同时具有防止阻塞失效、保护设备、减小信号耦合等重要作用。
电阻网络相比于其他信号调整结构，具有尺寸小、质量轻、可靠性高、性能稳定、易使用等特点，并可根据应用需求灵活设计。最常采用的电阻网络拓扑结构有T型和π型，参见图1a和图1b。根据所需调整量等要求，可以根据理论公式计算获得R1和R2的电阻值。对于这两种拓扑结构，R1和R2的电阻值差值均会随着所需调整量的增加而变大，甚至达到50倍甚至数百倍。
基于现代薄膜电阻加工工艺制作的电阻，其阻值取决于方块电阻R□和电阻图形的长宽比，即R=R□×L/W。在传统的电阻网络中，所述R1和R2的方块电阻R□相同，当所需调整幅度过大时，R1和R2的长宽比L/W就会相差数十倍甚至数百倍，从而造成版图尺寸跃变问题。同时，随着电阻图形面积增大，引起的寄生效应等也更大，恶化电阻网络的功能参数和性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种变方阻薄膜电阻网络，固定薄膜厚度h，通过控制薄膜电阻的掺杂浓度，改变它的电阻率ρ，从而使所述网络中的电阻R1和R2获得不同的方块电阻，缩小两种电阻的尺寸差异，解决版图尺寸跃变问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种变方阻薄膜电阻网络，包括：
衬底；
设置于衬底上的缓冲隔离层；
设置于缓冲隔离层上的中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻；
以及设置于缓冲隔离层上的由信号传输线及地线组成的连接中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻的信号通路；
其中，所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中均包含杂质元素，且包含的杂质元素浓度不同，具有不同的方块电阻，通过信号传输线及地线相连形成完整的信号通路。
所述缓冲隔离层厚度为100-500nm，以阻挡制作中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻过程中的杂质元素扩散，防止漏电。
所述地线有两条，分别设置在信号传输线两侧，和信号传输线共同组成共面波导传输线。
所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻为多晶硅薄膜电阻。
所述方块电阻大于10Ω/□，小于5000Ω/□。
所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻的厚度一样，是10-7m量级，二者的图形面积大小差别小于2倍。
所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含的杂质元素为硼或磷，通过离子注入方法完成掺杂。
所述信号传输线有三段，呈直线排列设置在两条地线之间，中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻均有两个，两个中心薄膜电阻分别设置在相邻的两段信号传输线之间，与信号传输线形成欧姆接触；一个旁路薄膜电阻连接在中间段信号传输线和一条地线之间，另一个旁路薄膜电阻连接在中间段信号传输线和另一条地线之间，旁路薄膜电阻与所连接的信号传输线和地线形成欧姆接触，由此构成T型电阻网络。
所述信号传输线有两段，呈直线排列设置在两条地线之间，中心薄膜电阻有一个，旁路薄膜电阻有四个，所述中心薄膜电阻设置在两段信号传输线之间，与信号传输线形成欧姆接触；四个旁路薄膜电阻分别设置在一段信号传输线与一条地线之间、一段信号传输线与另一条地线之间、另一段信号传输线与一条地线之间以及另一段信号传输线与另一条地线之间，并与所连接的信号传输线和地线形成欧姆接触，由此构成π型电阻网络。
由于本发明基于可变方阻的薄膜电阻，当改变薄膜电阻中杂质元素的掺杂浓度时，它的方阻也会改变，掺杂浓度越高，方阻越小，因此，可以通过控制掺杂浓度使电阻网络的中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻具有不同的方块电阻，调整它们的尺寸。
通过控制多晶硅离子注入的工艺条件，使所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含不同的杂质元素浓度，可以使信号通过所述T型/π型电阻网络后，获得大的调整幅度。同样，通过控制多晶硅离子注入的工艺条件，可以改变中心薄膜电阻和旁路多晶硅中包含的杂质元素浓度，从而使信号通过相同尺寸的所述T型/π型电阻网络时，获得不同的调整幅度。
本发明使用多晶硅薄膜电阻工艺和表面微加工工艺制作，可以利用已有半导体工艺、MEMS工艺制作设备和技术。
附图说明
图1a为T型拓扑结构的电阻网络示意图；图1b为π型拓扑结构的电阻网络示意图。
图2a和图2b均为本发明的T型电阻网络俯视图，中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含的杂质元素浓度不同。
图3a和图3b均为本发明的π型电阻网络俯视图，中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含的杂质元素浓度不同。
图4为图3a的A-A面剖视图。
图5为图3a的B-B面剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参见图2、3、4、5，一种变方阻薄膜电阻网络，包括一衬底100，衬底上设置有缓冲隔离层110，缓冲隔离层110上设置有中心薄膜电阻120、旁路薄膜电阻130、信号传输线140和地线150，它们共同组成T型/π型电阻网络。信号传输线140和地线150共同组成共面波导传输线。中心薄膜电阻120和旁路薄膜电阻中包含不同浓度的杂质元素。
参见图2，T型电阻网络中，包括两个中心薄膜电阻120、两个旁路薄膜电阻130、三段信号传输线140及两条地线150。三段信号传输线140呈直线排列设置在两条地线150之间，两个中心薄膜电阻120分别设置在相邻的两段信号传输线140之间，与信号传输线140形成欧姆接触；一个旁路薄膜电阻130连接在中间段信号传输线140和一条地线150之间，另一个旁路薄膜电阻130连接在中间段信号传输线140和另一条地线150之间，旁路薄膜电阻130与所连接的信号传输线140和地线150形成欧姆接触，由此构成T型电阻网络。其中中心薄膜电阻120相当于图1a中的R1，旁路薄膜电阻130相当于图1a中的R2。
参见图3、4、5，π型电阻网络中，包括一个中心薄膜电阻120、四个旁路薄膜电阻130、两段信号传输线140及两条地线150。两段信号传输线140呈直线排列设置在两条地线150之间，中心薄膜电阻120设置在两段信号传输线140之间，与信号传输线140形成欧姆接触；四个旁路薄膜电阻130分别设置在一段信号传输线140与一条地线150之间、一段信号传输线140与另一条地线150之间、另一段信号传输线140与一条地线150之间以及另一段信号传输线140与另一条地线150之间，并与所连接的信号传输线140和地线150形成欧姆接触，由此构成π型电阻网络。其中中心薄膜电阻120相当于图1b中的R2，旁路薄膜电阻130相当于图1b中的R1。
本发明实现信号调整的原理是：
信号通过由中心薄膜电阻120、旁路薄膜电阻130、信号传输线140以及地线150共同组成T型/π型电阻网络后，部分信号能量会被电阻网络吸收和/或损耗，从而信号幅度得到调整。
本发明减小电阻尺寸跃变的原理是：
大幅度调整信号的电阻网络中，中心薄膜电阻120和旁路薄膜电阻130的阻值相差数十倍乃至数百倍。当中心薄膜电阻120和旁路薄膜电阻130具有相同的方块电阻时，它们的长宽比相差较大，会引起器件版图的尺寸跃变问题。本发明通过控制中心薄膜电阻120和旁路薄膜电阻130中杂质元素的浓度，使它们具有不同的方块电阻，因此可以获得相似的长宽尺寸，从而解决电阻尺寸跃变问题。
同时，根据上述原理，可以通过控制中心薄膜电阻120和旁路薄膜电阻130中杂质元素的浓度，使信号通过相同图形尺寸的T型/π型电阻网络后，获得不同的调整幅度，参见图2a和图2b，以及图3a和图3b。
本发明可通过控制离子注入的剂量和退火温度及时长控制多晶硅方阻。以某工艺线里的参数举例，多晶硅薄膜厚度为290nm时，对于硼注入剂量不同的样品，退火950℃，30分钟的方阻如表1所示，对于硼注入剂量均为5×1015cm-2的样品，不同退火温度下的方阻如表2所示。
表1不同注入剂量的样品方阻（退火950℃，30分钟）
剂量（cm-2） 1×1014 1.5×1015 5×1015
方阻（Ω/□） 150470 345.4 153.38
表2不同退火条件的样品方阻（注入剂量5×1015cm-2）
950 1000 1050
10分钟 138.54 121.46 96.19
20分钟 145.87 109.07 89.89
假设中心电阻和旁路电阻均以140Ω/□的方阻实现-20dB的信号幅度调整，以此固定尺寸后，中心电阻方阻和旁路电阻方阻分别采用250Ω/□和44Ω/□，即可实现-10dB的信号幅度调整。

Claims (10)

1.一种变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，包括：
衬底；
设置于衬底上的缓冲隔离层；
设置于缓冲隔离层上的中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻；
以及设置于缓冲隔离层上的由信号传输线及地线组成的连接中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻的信号通路；
其中，所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中均包含杂质元素，且包含的杂质元素浓度不同，具有不同的方块电阻，通过信号传输线及地线相连形成完整的信号通路。
2.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述缓冲隔离层厚度为100-500nm，以阻挡制作中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻过程中的杂质元素扩散，防止漏电。
3.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述地线有两条，分别设置在信号传输线两侧，和信号传输线共同组成共面波导传输线。
4.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻为多晶硅薄膜电阻。
5.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述方块电阻大于10Ω/□，小于5000Ω/□。
6.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻的厚度一样，是10-7m量级，二者的图形面积大小差别小于2倍。
7.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含的杂质元素为硼或磷，通过离子注入方法完成掺杂。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述信号传输线有三段，呈直线排列设置在两条地线之间，中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻均有两个，两个中心薄膜电阻分别设置在相邻的两段信号传输线之间，与信号传输线形成欧姆接触；一个旁路薄膜电阻连接在中间段信号传输线和一条地线之间，另一个旁路薄膜电阻连接在中间段信号传输线和另一条地线之间，旁路薄膜电阻与所连接的信号传输线和地线形成欧姆接触，由此构成T型电阻网络。
9.根据权利要求1-7任一权利要求所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，所述信号传输线有两段，呈直线排列设置在两条地线之间，中心薄膜电阻有一个，旁路薄膜电阻有四个，所述中心薄膜电阻设置在两段信号传输线之间，与信号传输线形成欧姆接触；四个旁路薄膜电阻分别设置在一段信号传输线与一条地线之间、一段信号传输线与另一条地线之间、另一段信号传输线与一条地线之间以及另一段信号传输线与另一条地线之间，并与所连接的信号传输线和地线形成欧姆接触，由此构成π型电阻网络。
10.根据权利要求1所述的变方阻薄膜电阻网络，其特征在于，通过使所述中心薄膜电阻和旁路薄膜电阻中包含不同的杂质元素浓度，从而使得信号通过所述T型/π型电阻网络后，获得大的调整幅度；通过改变中心薄膜电阻和旁路多晶硅中包含的杂质元素浓度，从而使得信号通过相同尺寸的薄膜电阻网络时，获得不同的调整幅度。
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