ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

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.

182

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).

Вэтой 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.

Вэтой 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 параметры 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.

183

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,

184

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.

а

б

Рисунок 2.92

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-

185

Рисунок 2.93

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. Функциональноинтегрированные элементы являются базовыми элементами регулярных матричных топологических конфигураций.

Иллюстрациями к четвертому направлению сокращения площади элементов в зоне их размещения могут служить струк-

186

туры, 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.

2.20.4 Проектирование топологии ИС на БПТ

Важным звеном в общем процессе проектирования полупроводниковой ИМС на биполярных транзисторах является проектирование ее топологии (топологического чертежа форм, размеров и размещения элементов и соединений на кристалле). В процессе проектирования топологической модели и ее оптимизации учитываются следующие основные факторы:

–элементы кристалла ИМС должны размещаться с высокой плотностью на поверхности или в объеме подложки с последующим учётом повышения паразитного взаимодействия между элементами, теплообмена между элементами и увеличения уровня собственных шумов;

–элементов кристалла ИМС изготавливаются в едином технологическом цикле, что исключает предварительную отбраковку и удаление дефектных элементов и повышает требования к точности проектирования.

Исходными данными к проектированию топологии кристаллов являются принципиальная электрическая схема, технологические и конструктивные требования и ограничения.

Процесс проектирования топологии подразделяется на ряд этапов:

–подготовка исходных данных;

–выбор топологических фрагментов и проектирование не типовых активных и пассивных элементов;

–топологическое преобразование электрической принципиальной схемы и проектирование коммутационной схемы;

–проектирование эскизов предварительных вариантов топологии;

187

–выбор варианта топологии, коррекция вариантов;

–оформление документов проекта.

Исходные данные можно разделить на группы: электрические, конструктивные и технологические (для базового технологического процесса). К электрическим данным относятся:

–принципиальная электрическая схема;

–требования к электрическим параметрам (напряжение питания и его разброс, параметры входных и выходных сигналов, рабочий диапазон температур и др.);

–перечень активных и пассивных элементов и требования к ним (номинал, допуск, рассеиваемая мощность, максимальный рабочий ток и др.);

–допустимые значения и допустимые места расположения паразитных емкостей и сопротивлений.

К конструктивным и технологическим данным относятся:

–порядок расположения па кристалле контактных площадок (вынесенных на края кристалла, если такое ограничение накладывается);

–тип корпуса;

–минимальные геометрические размеры элементов и разброс номиналов элементов;

–параметры технологических режимов (поверхностные концентрации, глубины залегания р-n-переходов, толщины диэлектрических пленок) и их разброс.

В выборе форм и геометрических размеров активных и пассивных элементов руководствуются электрическими, конструктивными и технологическими параметрами данными. При наличии библиотеки элементов выбираются фрагменты топологий приборов, их композиций, если элементы имеют параметры, соответствующие электрическим требованиям и ограничениям технологического процесса.

Исходными к проектированию варианта топологии кристалла являются принципиальная электрическая схема, с заданным расположением контактных площадок, и геометрические размеры элементов (композиций). В процессе проектирования принимаются решения по необходимому числу изолированных областей, минимизации числа и длины пересечений коммутационных шин элементов. При определении необходимого числа изолиро-

188

ванных областей предусматривается подвод обратных смещений к р-n-переходам, изолирующим резисторы и конденсаторы, коллекторы транзисторов. Транзисторы, имеющие различные потенциалы коллекторов, должны быть изолированы. Резисторы могут быть размещены в одной или нескольких изолированных областях. На р-область изолирующего перехода должен быть подан минимальный, а на n-область — максимальный потенциал. Для улучшения развязки между коллекторными изолированными областями транзисторов контакт к р-области подложки целесообразно располагать рядом с наиболее мощными транзисторами.

В некоторых типах ИС, в частности в микросхемах памяти, имеется большое число повторяющихся групп элементов (запоминающие ячейки). Рекомендуется проектировать отдельные группы, а затем, объединять их в один эскиз. Внешние контактные площадки, вынесенные на края кристалла из-за их большого размера (75х75 мкм2), целесообразно размещать над отдельными изолированными областями для уменьшения результирующей паразитной емкости (последовательное соединение емкостей диэлектрика и изолирующего p-n-перехода) и исключения угрозы короткого замыкания контактных площадок на подложку при дефекте в окисле.

Эскиз топологии согласуется на соответствие порядку расположения внешних контактных площадок, использования n+-пе- ремычек и изменения геометрии транзисторов для прокладки соединений (удаление контакта к коллектору от коллекторного р-n- перехода и др.).

Предварительный вариант топологии является по существу топологическим чертежом и оформляется в соответствии с эскизом в масштабе, допускающем представление смежных линий на расстоянии не менее 3–5 мм (для фактических зазоров ∆ масштаб увеличения принимается равным 3–5/∆ с учётом размерности значений числителя и знаменателя).

Топологический чертёж исполняется в прямоугольной системе координат с применением координатной сетки. Отклонение от параллельности допустимо для шин металлизации лишь тогда, когда существенно упрощается форма топологических фрагментов чертежа. Координаты точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, принимаются кратными шагу координатной сетки.

189

Ширина окон в масках под разделительную диффузию принимается не менее толщины разделяемых эпитаксиальных слоёв.

В процессе проектирования анализируются варианты топологии, отличающиеся формами элементов и компоновкой отдельных топологических композиций. По необходимости осуществляется корректировка геометрических размеров элементов для сохранения значений их электрических параметров.

На периферийных областях кристалла выделяются зоны размещения фигур визуального контроля совмещения слоёв, тестовых элементов,

Окончательный вариант топологии оформляется после анализа не использованных резервов повышения качества топологии. Если после уплотнения компоновки элементов выявлена незанятая площадь, то принимается решение об уменьшении площади кристалла, либо внесения изменений, повышающих запас на технологическую реализуемость конструкции кристалла:

–увеличить расстояния между контактными площадками;

–ширину межэлементных соединений и расстояние между ними;

–спрямить шины металлизации, границы изолирующих областей.

В заключение проектирования топологии выполняются кон- трольно-проверочные расчеты топологии ИС, включающие выявление топологических ошибок (правильность коммутации элементов, оценкутеплового режима, паразитных элементов и связей).

Исходя из окончательного варианта топологии, выполняют послойные чертежи для изготовления фотошаблонов.

Спроектированная топология должна удовлетворять предъявляемым электрическим, конструктивным и технологическим требованиям и ограничениям:

–обеспечивать возможность экспериментальной проверки электрических параметров элементов или отдельных субблоков схемы;

–обеспечивать возможность сокращения числа технологических операций и стоимости изготовления (применение однослойной металлизация, сокращения циклов изоляции и др.).

При положительной оценке принятых решений исполняется конструкторская техническая документации на кристалл ИС.