Цифровые микросхемы на полевых транзисторах (МОП - ИС)

Базовой логической схемой для построения этих ИС является инвертор, выполняющий логическую функцию инвертирования входного сигнала (операцию НЕ).

Для установления связи между конструктивными и электриче­скими параметрами МОП-транзисторов цифровых МОП-ИС малой и средней степеней интеграции рассматривают статический и динамический режимы работы трех наиболее распространенных инверторов, которые отличаются схемой включения нагрузочного транзистора. Схемы, где нагрузочный транзистор выполняет функцию резистора, относят к инверторам с пассивной на­грузкой, а схемы, где он выполняет функцию активного элемента, к инверторам с активной нагрузкой.

Инвертор с пассивной нагрузкой. Простейшей инвертирующей схемой на МОП-транзисторе является инвертор с пассивной нагрузкой (рис. 4.7, а). В нем в качестве на­грузки используется МОП-транзистор Т₁.

а) б)

Рис. 4.7. а) – схема инвертора с пассивной нагрузкой; б) – вольт-амперные характеристики нагрузочного транзистора: 1 – U_з = U_и.п; 2 – U_з = U_и.п1 + U₀;

3 – U_з > U_и.п1 + U₀.

Инвертор с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания. Для повышения быстродействия на затвор нагрузочного транзистора часто подают напряжение от от­дельного источника питания U_и.п2 > U_и.п1 + U₀. Схема такого инвертора приведена на рисунке 4.8, а.

а) б)

Рис. 4.8. а) – схема инвертора с пассивной нагрузкой и двумя источниками питания; б) – передаточная характеристика инвертора при U_и.п2 > U_и.п1 + U₀₁.

Инвертор с активной нагрузкой. Такая схема инвертора широко распространена в КМОП-ИМС, где одновременно используются n - и р-канальные МОП-транзисторы. Преимуществами подобных инверторов являются отсутствие потребления мощности от источника питания в статическом режиме и лучшая форма передаточной характеристики.

а) б) в)

Рис. 4.9. Инвертор с активной нагрузкой: а) – электрическая схема; б) – стоковые характеристики в открытом (А) и закрытом (Б) состояниях; в) – передаточная характеристика.

Схема инвертора и его стоковые характеристики приведены на рис. 4.9, а, б. Как видно, затворы нагрузочного р-канального транзистора Т₁ и ключевого n-канального транзистора Т₂ соединены вместе, а исток каждого транзистора объединен с подложкой. Выходом инвертора являются объединенные стоки. При таком включении ключевой и нагрузочный транзисторы работают в противофазе, т. е. запирание одного связано с отпиранием другого и наоборот, что улучшает быстродействие.

 

 

5. РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИИ ИС

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИС являются электрическая схема (рис. 5.1), требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно-технологические требования и ограничения.

 

Рис. 5.1. Электрическая принципиальная схема

 

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИС; размещение элементов на поверхности и в объеме подложки и создание рисунка разводки (коммутации) между элементами; разработку предварительного варианта топологии, оценку качества топологии и ее оптимизацию; разработку окончательного варианта топологии. Целью работы конструктора при разработке топологии является минимизация площади кристалла ИС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.

Важнейшей технологической характеристикой, определяющей горизонтальные размеры областей транзисторов и других элементов ИС, является минимальный геометрический размер, который может быть уверенно сформирован при заданном уровне технологии, например: минимальная ширина окна в окисле кремния, минимальная ширина проводника, минимальный зазор между проводниками, минимальное расстояние между краями эмиттерной и базовой областей и т. д.

 

Рис. 5.2. Конструктивно-технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах

 

Конструктивно-технологические ограничения, которые учитываются при разработке топологии ИС на биполярных транзисторах, приведены на рис. 5.2.

Минимально допустимые размеры, мкм

Ширина линии скрайбирования слоя....................................................................................... 60

Расстояние от центра скрайбирующей полосы до края слоя металлизации или до края диффузионной области...................................................................................................... 50 - 100

Размер контактных площадок для термокомпрессионной приварки проводников, d₁ 100 x 100

Расстояние между контактными площадками, d₂.................................................................... 70

Размер контактных площадок тестовых элементов рабочей схемы............................... 50Х50

Ширина проводника d₃:

при длине <50 мкм....................................................................................................................... 4

при длине >50 мкм........................................................................................................................ 5

Расстояние между проводниками d₄

при длине < 50 мкм....................................................................................................................... 3

при длине >50 мкм........................................................................................................................ 4

Ширина области разделительной диффузии d₅......................................................................... 4

Расстояние от базы до области разделительной диффузии d6............................................... 10

Расстояние между краем области подлегирования коллекторного контакта и краем разделительной области d₇......................................................................................................... 10

Расстояние между краем разделительной области и краем скрытого n⁺-слоя, d₈................ 10

Расстояние между краем контактного окна в окисле к коллектору и краем базы, d₉........... 7

Расстояние между краем контактного окна в окисле к базе и краем базы, d₁₀...................... 3

Расстояние между эмиттерной и базовой областями, d₁₁......................................................... 3

Расстояние между краем контактного окна в окисле к эмиттеру и краем эмиттера, d₁₂...... 3

Расстояние между контактным окном к базе и эмиттером, d₁₃................................................ 4

Расстояние между базовыми областями, сформированными в одном коллекторе................ 9

Расстояние между эмиттерными областями, сформированными в одной базе..................... 6

Расстояние между контактным окном к коллектору и областью разделительной диффузии, d₁₄....................................................................................................................................................... 10

Размеры контактного окна к базе, d₁₅.................................................................................. 4 х 6

Размеры контактного окна к эмиттеру, d₁₆................................................................... 4 х 4 или

..................................................................................................................................................... 3х5

Ширина области подлегирования n⁺-слоя в коллекторе, d₁₇................................................... 8

Ширина контактного окна к коллектору, d₁₈............................................................................. 4

Ширина резистора, d₁₉.................................................................................................................. 5

Размеры окна вскрытия в окисле..................................................................................... 2,5 x 2,5

Перекрытие металлизацией контактных окон в окисле к элементам ИМС, d₂₀.................... 2

Расстояние от края контактного окна к разделительным областям для подачи смещения до края области разделения, d₂₁................................................................................................................. 6

Расстояние от края контактного окна к изолированным областям n-типа для подачи смещения до края области разделения, d₂₂................................................................................................... 6

Ширина диффузионной перемычки............................................................................................ 3

Размер окна в пассивирующем окисле, d₂₃................................................................... 100 х 100

Расстияние от края окна в пассивации до края контактной площадки, d₂₄............................ 6

Расстояние между соседними резисторами, d₂₅......................................................................... 7

Расстояние между диффузионными и ионно-легированными резисторами.......................... 4

Расстояние между контактной площадкой и проводящей дорожкой, d₂₆............................. 20

Ширина скрытого n⁺-слоя............................................................................................................ 4

Расстояние между контактными площадками тестовых элементов...................................... 40

Следует обращать особое внимание на размеры топологических зазоров, так как при неоправданно малых их значениях ИМС или не будет функционировать, из-за перекрытия областей структуры (например, базовой области и области разделительной диффузии), или будет иметь искаженные параметры за счет усиления паразитных связей между элементами. С другой стороны, завышение размеров топологических зазоров приводит к увеличению площади кристалла

Сущность работы по созданию топологии ИМС сводится к нахождению такого оптимального варианта расположения элементов схемы, при котором обеспечиваются высокие показатели эффективности производства и качества ИМС: низкий уровень бракованных изделий, низкая стоимость, материалоемкость, высокая надежность, соответствие получаемых электрических параметров заданным.

К разработке топологии приступают после того, как количество, типы и геометрическая форма элементов ИМС определены.

Количество и размеры изолированных областей оказывают существенное влияние на характеристики ИМС, поэтому:

1) суммарная площадь изолирующих p-n-переходов должна быть минимальной, так как их емкость является паразитной. Минимальные размеры изолированной области определяются геометрическими размерами находящихся в ней элементов и зазорами, которые необходимо выдерживать между краем изолированной области и элементами и между самими элементами, размещенными в одной изолированной области;

2) к изолирующим р-n-переходам всегда должно быть приложено напряжение обратного смещения, что практически осуществляется подсоединением подложки p-типа, или области разделительной диффузии p-типа, к точке схемы с наиболее отрицательным потенциалом. При этом суммарное обратное напряжение, приложенное к изолирующему переходу не должно превышать напряжения пробоя;

3) диффузионные резисторы, формируемые на основе базового слоя, можно располагать в одной изолированной области, которая подключается к точке схемы с наибольшим положительным потенциалом. Обычно такой точкой является контактная площадка ИМС, на которую подается напряжение смещения от коллекторного источника питания;

4) резисторы на основе эмиттерного и коллекторного слоев следует располагать в отдельных изолированных областях;

5) транзисторы типа n-р-n, коллекторы которых подсоединены непосредственно к источнику питания, целесообразно размещать в одной изолированной области вместе с резисторами;

6) транзисторы типа n-р-n, которые включены по схеме с общим коллектором, можно располагать в одной изолированной области;

7) все другие транзисторы, кроме упомянутых в п. 5 и 6 необходимо располагать в отдельных изолированных областях, т. е. все коллекторные области, имеющие различные потенциалы, должны быть изолированы;

8) для уменьшения паразитной емкости между контактными площадками и подложкой, а также для защиты от короткого замыкания в случае нарушения целостности пленки окисла под ними при приварке проволочных выводов под каждой контактной площадкой создают изолированную область, за исключением контактных площадок с наиболее отрицательным потенциалом;

9) количество изолированных областей для диодов может сильно изменяться в зависимости от типа диодов и способов их включения. Если в качестве диодов используются переходы база - коллектор, то для каждого диода требуется отдельная изолированная область, так как каждый катод (коллекторная область n-типа) должен иметь отдельный вывод.

10) для диффузионных конденсаторов требуются отдельные изолированные области. Исключение составляют случаи, когда один из выводов конденсатора является общим с другой изолированной областью;

11) для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные и изолированные области.

После определения количества изолированных областей проводится их размещение в нужном порядке, размещение элементов, соединение элементов между собой и с контактными площадками. При этом соблюдаются следующие правила:

1) при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 5.2), соответствующие типовому технологическому процессу;

2) резисторы, у которых нужно точно выдерживать отношение номиналов, должны иметь одинаковую ширину и конфигурацию и располагаться рядом друг с другом. Это относится и к другим элементам ИМС, у которых требуется обеспечить точное соотношение их характеристик;

3) резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов;

4) диффузионные резисторы можно пересекать проводящей дорожкой поверх слоя окисла кремния;

5) форма и место расположения конденсаторов не являются критичными;

6) соединения, используемые для ввода питания, заземления, входной и выходной выводы, необходимо выполнять в виде широких и коротких полосок, что уменьшает паразитные сопротивления;

7) для улучшения развязки между изолированными областями контакт к подложке следует располагать рядом с мощным транзистором или как можно ближе к входу или выходу схемы;

8) число внешних выводов в схеме, а также порядок расположения и обозначения контактных площадок выводов ИМС на кристалле должны соответствовать выводам корпуса;

9) коммутация в ИМС должна иметь минимальное количество пересечений и минимальную длину проводящих дорожек. Если полностью избежать пересечений не удается, их можно осуществить, используя обкладки конденсаторов, формируя дополнительные контакты к коллекторным областям транзисторов, применяя диффузионные перемычки и, наконец, создавая дополнительный слой изоляции между пересекающимися проводниками;

10) первую контактную площадку располагают в нижнем левом углу кристалла и отличают от остальных по ее положению относительно фигур совмещения или заранее оговоренных элементов топологии. Нумерацию остальных контактных площадок проводят против часовой стрелки. Контактные площадки располагают в зависимости от типа выбранного корпуса по периметру кристалла или по двум противоположным его сторонам;

11) фигуры совмещения располагают одной-двумя группами в любом свободном месте кристалла;

12) при разработке аналоговых ИМС элементы входных дифференциальных каскадов должны иметь одинаковую топологию и быть одинаково ориентированными в плоскости кристалла; для уменьшения тепловой связи входные и выходные каскады должны быть максимально удалены; для уменьшения высокочастотной связи через подложку контакт к ней следует осуществлять в двух точках - вблизи входных и выходных каскадов.

Для обеспечения разработки эскиза топологии, принципиальная электрическая схема с самого начала вычерчивается так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности. Каждая линия, пересекающая резистор на принципиальной электрической схеме, будет соответствовать металлизированной дорожке, пересекающей диффузионный резистор по окислу на топологической схеме.

На этапе эскизного проектирования топологии необходимо предусмотреть решение следующих задач: расположить как можно большее число резисторов в одной изолированной области; подать наибольший потенциал на изолированную область, где размещены резисторы; подать наиболее отрицательный потенциал на подложку вблизи мощного транзистора выходного каскада, рассредоточить элементы, на которых рассеиваются большие мощности; расположить элементы с наименьшими размерами и с наименьшими запасами на совмещение в центре эскиза топологии; сократить число изолированных областей и уменьшить периметр каждой изолированной области.

В случае если принципиальная электрическая схема содержит обособленные группы или периодически повторяющиеся группы элементов, объединенных в одно целое с точки зрения выполняемых ими функций, разработку рекомендуется начинать с составления эскизов топологии для отдельных групп элементов, затем объединить эти эскизы в один, соответствующий всей схеме.

На основе эскиза разрабатывается предварительный вариант топологии, который вычерчивается на миллиметровой бумаге в выбран­ном масштабе, обычно 100:1 или 200:1 (выбираются масштабы, кратные 100). Топология проектируется в прямоугольной системе координат. Каждый элемент топологии представляет собой замкнутую фигуру со сторонами, состоящими из отрезков прямых линий, параллельных осям координат. Придание элементам форм в виде отрезков прямых линий, не параллельных осям координат, допустимо только в тех случаях, когда это приводит к значительному упрощению формы элемента. Например, если форма элемента со­стоит из ломаных прямых, составленных в виде ступенек с мел­ким шагом, рекомендуется заменить их одной прямой линией. Координаты всех точек, расположенных в вершинах углов ломаных линий, должны быть кратны шагу координатной сетки.

При вычерчивании чертежа топологии на миллиметровой бума­ге принимается минимальный шаг координатной сетки, равный 0,5 мм. Можно выбрать другой шаг, но он должен быть кратным минимальному. Действительный (на кристалле) размер шага коор­динатной сетки зависит от выбранного масштаба топологии.

При вычерчивании общего вида топологии рекомендуется использовать линии разного цвета для различных слоев ИМС: эмиттерного - черный, базового — красный, разделительного коллекторного — зеленый, вертикального — черный пунктирный, скрытого — зеленый пунктирный, металлизации — желтый, окна в окисле для контакта к элементам — синий пунктирный, окна в пассивирующем (защитном) окисле — синий сплошной.

В процессе вычерчивания топологии для получения оптимальной компоновки возможно изменение геометрии пассивных элементов, например, пропорциональное увеличение длины и ширины резисторов или их многократный изгиб, позволяющие провести над резистором полоски металлической разводки или получить более плотную упаковку элементов. При изменении формы пассивных элементов в процессе их размещения проводятся корректировочные расчеты. При проектировании слоя металлизации размеры контактных площадок и проводников следует брать минимально допустимыми, а расстояния между ними — максимально возможными.

После выбора расположения элементов и контактных площадок, создания рисунка разводки необходимо разместить на топологии фигуры совмещения, тестовые элементы (транзисторы, резисторы и т. д.— приборы, предназначенные для замера электрических параметров отдельных элементов схемы), реперные знаки. Фигуры совмещения (рис. 5.3) могут иметь любую форму из, приведенных на рис. 5.4. (чаще всего квадрат или крест). Причем на каждом фотошаблоне, кроме первого и последнего, имеются две фигуры, расположенные рядом друг с другом. Меньшая фигура предназначена для совмещения с предыдущей технологической операцией, а большая — с последующей. На первом фотошаблоне расположена только большая фигура, а на последнем — только меньшая.

Рис. 5.3. Фрагмент топологии ИМС с фигурами совмещения

Рис. 5.4. Варианты фигур совмещения

 

При разработке топологии важно получить минимальную площадь кристалла ИМС. Это позволяет увеличить производительность, снизить материалоемкость и повысить выход годных ИМС, поскольку на одной полупроводниковой пластине можно разместить большее число кристаллов и уменьшить вероятность попадания дефектов, приходящихся на кристалл. При размерах стороны кристалла до 1 мм ее величину выбирают кратной 0,05 мм, а при размерах стороны кристалла 1—2 мм — кратной 0,1 мм.

Для любой принципиальной электрической схемы можно получить много приемлемых предварительных вариантов топологии, удовлетворяющих электрическим, технологическим и конструктив­ным требованиям. Любой предварительный вариант подлежит дальнейшей доработке.

Если после уплотненного размещения всех элементов на кристалле выбранного размера осталась незанятая площадь, рекомендуется перейти на меньший размер кристалла. Если этот переход невозможен, то незанятую площадь кристалла можно использовать для внесения в топологию изменений, направленных на снижение требований к технологии изготовления полупроводниковой ИМС. Например, можно увеличить размеры контактных площадок и расстояния между контактными площадками, ширину проводников и расстояние между ними, по возможности выпрямить элементы разводки, резисторы, границы изолированных областей.

В заключение производятся контрольно-проверочные расчеты по­лученной топологии микросхемы, включающие в себя оценку теп­лового режима и паразитных связей.

 

Проверка правильности разработки топологии ИМС

Последний из составленных и удовлетворяющий всем требованиям вариант топологии подвергается проверке в такой последовательности. Проверяются соответствие технологическим ограничениям: минимальных расстояний между элементами, принадлежащими одному и разным слоям ИМС; минимальных размеров элементов, принятых в данной технологии, и других технологических ограничений; наличие фигур совмещения для всех слоев ИМС; размеров контактных площадок для присоединения гибких выводов; расчетных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности рассеяния резисторов, максимально допустимой удельной мощности рассеяния (Р₀=Р/S_R=10³-10⁴ мВт/мм²), а также обеспечение возможности контроля характеристик элементов ИМС.