2.20.2 План кристалла

Перечисленные области определенным образом компонуются на кристалле, составляя основу плана кристалла. На рисунке 2.90 изображен один из вариантов плана кристалла, где рабочая зона компоновки радиоэлементов отмечена позицией 5. Границы кристалла после разделения пластины соответствуют линиям скрайбирования 7 в разде-лительной области 8, освобожденной от за-щитного окисла SiO₂. В области размещения контактных площадок 3 вместе с контактны-ми площадками фор-мируется и ключ идентификации нумерации площадок. Области 1, 2, 4 выделены под размещение фигур совмещения, маркировки кристалла и тестовых фигур для контроля. Позицией 6 отмечена внешняя граница защитного окисла на кристалле, а буферные зоны от края контактных площадок до границы окисла 6 с одной стороны и до рабочей области 5 с другой стороны соответствуют выделенным зазорам между границами.

Размеры всех перечисленных областей, за исключением области размещения радиоэлементов 5, фиксированы и определяются технологическими ограничениями внешнего обслуживания кристалла. Относительная доля области 5 в общей площади кристалла повышается с увеличением габаритных размеров кристалла, которые, в свою очередь, ограничены повышением процента бракованных кристаллов на пластине из-за наличия дефектов кристаллической структуры пластины. В процессе проектирования кристаллов степень интеграции радиоэлементов в рабочей области, при ограниченных ее размерах, может быть повышена сокращением потерь на зазоры между топологическими конфигурациями радиоэлементов и совмещением функций приборов в рамках общих топологических конфигураций. Основные решения в названых направлениях демонстрируются в следующем параграфе.

2.20.3 Сокращение потерь площади рабочей кристалла

Сокращение потерь площади на зазоры между радиоэлементами обеспечивается следующими проектными решениями:

• применением технологических вариантов структур, допускающих уменьшение ширины зазора между структурами;

• выбором топологических конфигураций радиоэлементов с минимальным периметром при фиксированной площади элементов;

• совмещением функций нескольких радиоэлементов в топологии интегрированного прибора (решения по функциональной интеграции);

• расширением «нагрузки» на третье измерение в компоновке радиоэлементов.

Влияние технологических вариантов структур на размеры элементов топологии представлено на рисунке 2.91, где изображены структуры изолированных областей (структурные карманы), в которых размешены БПТ с одинаковой площадью эмиттера. Структура и топология БПТ изображенные на рисунке 2.91,а соответствуют применению разделительной диффузии при эпитаксиальном коллекторном слое (структура ЭПСК). В этой структуре зазоры между границами областей эмиттера, базы, коллектора составляют единицы микрон. Зазор Lза, половина которого относится к каждому из смежных карманов, превышает удвоенную толщину эпитаксиального слоя коллектора, достигая (10–20) мкм. Структура и топология БПТ, изображенная на рисунке 2.91, б соответствует коллекторной разделительной диффузии (структура ЭПСБ). В этой структуре зазор между границами областей эмиттера и базы равен одноименному зазору предыдущей структуры, но зазор между границами базы и коллектора Lзб определяется шириной разделительной коллекторной диффузии, которая более чем в два раза снижается по сравнению с разделительной областью структуры ЭПСК. Сокращение потерь площади в этом технологическом варианте структуры обеспечивается в основном благодаря уменьшению длины кармана на величину Lза в сравнении со структурой ЭПСК.

Структура и топология БПТ, изображенная на рисунке 2.91, в, соответствует комбинированной изоляции для структуры ЭПСБ. В этой структуре зазоры между границами областей эмиттера, базы, коллектора по ширине (измерение В), как и зазоры от внешних границ контактов к базе и коллектору до границ полупроводниковых слоев по длине структуры, устраняются. Зазор Lзв представляет собой диэлектрический слой, ширина которого при классической схеме формирования не превышает 2–2,5 мкм. В этом варианте технологической структуры площадь прибора и потери площади по изоляции кармана радикально снижаются (от 3, при определяющем значении размера Ве, до 20, при не определяющем его значении).

Применение комбинированной изоляции карманов V-кана-лами при прочих равных условиях позволяет улучшить пара-метры приборов повышением толщины слоев примерно в 1,5 раза или уменьшить в этой же пропорции размер Lзв и дополнительно снизить площадь структурного кармана.

При исполнении резисторов в базовом слое технологических структур ЭПСК для снижения суммарной занимаемой площади рекомендуется группировать резисторы в общих для массива резисторов карманах. Количество карманов определяется условиями рациональной прокладки соединительных проводников на кристалле.

Общую изолированную область целесообразно выделять под транзисторы с объединенными коллекторами. Общим может быть карман для размещения диодов, формируемых на основе эмиттерно-базового p-n-перехода.

В отдельные изолированные области помещают конденсаторы, контактные площадки схем повышенной надежности и «перемычки-туннели» для изоляции пересечений проводников в двух уровнях.

При необходимости, например для массива резисторов в общем кармане структуры ЭПСК, на область кармана рекомендуется подавать обратное смещение относительно подложки.

Второе направление снижения расхода площади кристалла в зоне размещения элементов направлено на сокращение площади зазоров между областями размещения элементов. В проектировании топологических конфигураций элементов одним из ограничений на выбор топологических размеров может являться выбор в условиях заданной площади элемента. С этим ограничением проектировщик встречается:

• при выборе форм и размеров обкладок конденсаторов;

• при выборе форм и размеров эмиттеров БПТ;

• при выборе форм и размеров инжектирующего электрода диода;

• при выборе форм и размеров несущего кармана массива резисторов;

• при выборе форм и размеров контактов кристаллов.

Для названных приложений с целью минимизации потерь площади за счет защитных зазоров по периферии топологических конфигураций следует, при компромиссном учете иных требований, рассматривать возможность выбора квадратных форм топологических конфигураций элементов.

Третье направление сокращения потерь площади кристалла обеспечивается совмещением нескольких функциональных элементов в одном изолированном «кармане». Это направление получило наименование метода «функциональной интеграции элементов». Если в интеграции отдельных элементов в одном кристалле повышению степени интеграции и увеличению быстродействия препятствует обилие отдельных элементов и контактных окон, порождающее проблемы межэлементной коммутации, то функционально-интегрированные структуры и элементы понижают роль этой проблемы. Так, формообразование и направленное управление свойствами областей базы и коллектора позволяет одновременно использовать их в качестве резисторов. В качестве примера для иллюстрации этого метода на рисунке 2.92 изображены схема, топология и структура статического триггера с раздельной записью состояний. Здесь нагрузочные резисторы R1, R2 совмещены с коллекторами транзисторов VТ1^/, VТ2^/ соответственно. Для увеличения сопротивления резисторов R1, R2 одновременно с формированием базовых областей транзисторов проведена диффузия примеси р-типа, благодаря чему уменьшено поперечное сечение резисторов. Формирование еще лишь двух р-областей с контактами позволяет использовать вертикальные р-n-р-структуры в качестве транзисторов связи VT1^// и VТ2^//. В n-области совмещены функции коллекторов транзисторов VT1^/ и VT2^/, базы транзисторов VТ1^// и VТ^//, «зажатых» резисторов R1, R2.

Другим применением функционально-интегрированных элементов является исполнение цепей электропитания, показанное на рисунке 2.93. Традиционные резистивные цепи подключении электропитания часто заменяются диодными, либо транзисторными, либо инжекционными элементами. Функции нагрузочных резисторов в цепи питания в функционально-интег-рированном логическом элементе с транзисторной цепью питания (см. рис. 2.93, а) выполняют р-n-р-транзисторы. На рисунке 2.93, в функционально-интегрированные элементы выделены штриховой линией. Конструктивно-топологическое решение цепи электропитания элемента, изображенного на названном рисунке, реализовано так, что базовая область р-n-р-транзистора одновременно является эмиттером переключающего n-р-n-тран-зистора, а база n-р-n-транзистора одновременно выполняет функции коллектора р-n-р-транзистора. Функционально-интегриро-ванный элемент, представленный на рисунке 2.93, на поверхности кристалла имеет только функциональные межэлементные соединения, тогда как шины элекропитания в нем образованы подложкой и эпитаксиальным слоем.

По принципам функциональной интеграции могут совмещаться рабочие области различных активных элементов. Примерами такого совмещения могут быть составной транзистор, расположенный в одной изолированной области, транзисторы с диодом Шотки, совмещения областей БПТ и полевых структур.

Метод функционально-интегрированных элементов наряду со снижением потерь площади в рабочей зоне плана кристалла обеспечивает повышение быстродействия, степени интеграции, упрощение коммутационных схем, сокращение длины соединительных проводников и числа контактных окон. Функционально-интегрированные элементы являются базовыми элементами регулярных матричных топологических конфигураций.

Иллюстрациями к четвертому направлению сокращения площади элементов в зоне их размещения могут служить структуры, показанные на рисунках 2.50, 2.92, 2.93, где разные функциональные элементы образуются в двух слоях по глубине, сокращая число коммутационных соединений на поверхности кристалла. Развитие технологии ионной имплантации и применение ее на разных этапах формирования диффузионно-эпитакси-альных структур в перспективе расширит спектр решений по использованию третьего измерения (толщины) кристалла в конструкциях ИС.