ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6

РОЗРОБКА ТОПОЛОГІЇ  ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ

 

 

Мета роботи: розробити топологію інтегральної  мікросхеми, використовуючи електричну схему, вимоги до електричних параметрів і до параметрів активних і пасивних елементів, конструктивно-технологічні вимоги й обмеження.

 

Теоретичні відомості

 

Основою для розробки топології напівпровідникової ІМС
є електрична схема, вимоги до електричних параметрів і до параметрів активних і пасивних елементів, конструктивно-технологічні вимоги й обмеження [5 – 16].

Розробка креслення топології містить у собі такі етапи: вибір конструкції й розрахунки активних і пасивних елементів ІМС;
розміщення елементів на поверхні й в об’ємі підкладки й створення рисунка розведення (комутації) між елементами; розроблення попереднього варіанта топології; оцінення якості топології і її оптимізацію; розроблення остаточного варіанта топології. Метою роботи конструктора при розробленні топології є мінімізація площі кристала ІМС, мінімізація
сумарної довжини розведення й числа перетинань у ній.

Конструктивно-технологічні обмеження при розробленні
 топології ІМС на біполярних транзисторах. Електрофізичні
характеристики й геометричні розміри вертикальної структури
елементів ІМС, формованих за планарно-епітаксіальною технологією, наведено в табл. 1.1 (див. лаб. роботу №1).

Найважливішою технологічною характеристикою, що визначає
горизонтальні розміри областей транзисторів та інших елементів ІМС, є мінімальний геометричний розмір, який може бути впевнено сформований при заданому рівні технології, наприклад мінімальна ширина вікна в окислі кремнію, мінімальна ширина провідника, мінімальний зазор між провідниками, мінімальна відстань між краями емітерної і базової областей тощо. Нехай мінімальний розмір, який може забезпечити технологія, дорівнює d.

Тоді розміри активних областей і самого  транзистора при мінімальній його площі визначаються величинами, наведеними на рис. 6.1.

Зазор між областю, займаною транзистором, та іншими елементами ІМС більший за мінімальний розмір d на величину бічної дифузії
під окисел, яка при розділовій дифузії приблизно дорівнює товщині епітаксіального шару . Таким чином, при мінімальному розмірі 10 мкм мінімальна довжина транзистора найпростішої конструкції становить
 ~ 130 мкм. При досягнутому на сьогодні розвитку технології, що
 характеризується мінімальним розміром 4 мкм, мінімальна довжина транзистора становить ~ 60 мкм. При мінімальному розмірі 1,5 ÷ 2 мкм, граничному для оптичної фотолітографії, розмір транзистора при  мкм становитиме ~28 мкм [5 – 16].

 

 

Рисунок 6.1 – Співвідношення розмірів областей транзистора

зі стандартним розміром

 

 

Наведені міркування правильні, якщо сумарна величина бічної дифузії при формуванні базової й емітерної областей суттєво менша . Якщо ця умова не виконується, то для мінімально допустимого топологічного зазору між двома дифузійними областями справедливо співвідношення:

 

,                                     (6.1)

 

де  і  – величина бічної дифузії під окисел;

 – сумарна допустима похибка в положенні краю вікон під дифузію за рахунок фотолітографії;

 – максимальна ширина області об’ємного заряду в працюючому приладі.

Наведену нерівність можна не враховувати при  мкм, але при  мкм її враховують й зниження лінійних розмірів транзисторів з подальшим зменшенням  буде проходити вже не настільки високими темпами.

Конструктивно-технологічні обмеження, які необхідно враховувати при розробленні топології ІМС на біполярних транзисторах, наведено на     рис. 6.2. Наведемо конструктивно-технологічні обмеження при конструюванні ІМС на біполярних транзисторах, виконаних за планарно-епітаксіальною технологією з використанням ізоляції р-n-переходом.

 

 

Рисунок 6.2 – Конструктивно-технологічні обмеження при

 розробленні топології ІМС на біполярних транзисторах

 

Мінімально допустимі розміри, мкм [5 – 16]

 

Ширина лінії скрайбованого шару………………………………	60
Відстань від центра скрайбованої смуги до краю шару металізації або до краю  дифузійної області……………………….........	50 ÷ 100
Розмір контактних площадок для термокомпресійної приварки провідників ...................................................................................	100×100
Відстань між контактними площадками ……………..…	50 ÷ 70
Розмір контактних площадок тестових елементів робочої схеми ..……………….…………………………………………	50×50
Ширина провідника : при довжині ≤ 50 мкм……………..  при довжині ≥ 50 мкм……………..	2 3
Відстань між провідниками : при довжині ≤ 50 мкм…… при довжині ≥ 50 мкм……	1,5 2
Ширина області розділової дифузії ……………………….	2
Відстань від бази до області розділової дифузії ………..	5
Відстань між краєм області легування колекторного контакта й краєм розділової області ……………………..	5
Відстань між краєм розділової області й краєм прихованого n+-шару ……………………………………….	5
Відстань між краєм контактного вікна в окислі до колектора й краєм бази ……………………………………..	3,5
Відстань між краєм контактного вікна в окислі до бази й краєм бази …………………………………………………..	1,5
Відстань між емітерною і базовою областями ………….	1,5
Відстань між краєм контактного вікна в окислі до емітера й краєм емітера …………………………………………….	1,5
Відстань між контактним вікном до бази й емітером ………...............................................................................	2
Відстань між базовими областями, сформованими в одному колекторі……………………………………………….	4,5
Відстань між емітерними областями, сформованими в одній базі……………………………………………………….	3
Відстань між контактним вікном до колектора й областю розділової дифузії …………………………………………	5
Розміри контактного вікна до бази ……………………..…	2×3
Розміри контактного вікна до емітера ……………............	2×2 або 1,5×2,5
Ширина області легування n+-шару в колекторі …………	4
Ширина контактного вікна до колектора …………………	2
Ширина резистора …………………………………………	2,5
Розміри вікна розкриття в окислі ………………………..……	1,3×1,3
Перекриття металізацією контактних вікон в окислі до елементів ІМС………………………………………………	1
Відстань від краю контактного вікна до р+-розділових областей для подачі зсуву до краю області розділу  ……	3
Відстань від краю контактного вікна до ізольованих областей p-типу для подачі зсуву до краю області поділу ………………………………………………………………..	3
Ширина дифузійної перемички……………………………….	1,5
Розмір вікна в пасивувальному окислі ...........................	50×50
Відстань від краю вікна в пасивації до краю контактної площадки …………………………..…………….…………	3
Відстань між сусідніми резисторами ……………….…...	3,5
Відстань між дифузійними й іонно-легованими резисторами……………………………………………………..	4
Відстань між контактною площадкою і провідною доріжкою……………………………………………………..	10
Ширина прихованого n+-шару………………………………...	2
Відстань між контактними площадками тестових елементів………………………………………………………...	20

 

Особливу увагу приділяють розмірам топологічних зазорів, тому що при малих їхніх значеннях ІМС або не буде функціонувати через перекриття областей структури (наприклад, базової області й області розділової дифузії), або буде мати перекручені параметри за рахунок посилення паразитних зв'язків між елементами. З іншого боку, завищення розмірів топологічних зазорів призводить до збільшення площі кристала [5 – 16].

Правила проектування топології напівпровідникової ІМС.

Розробка топології ІМС – творчий процес, і його результати суттєво залежать від індивідуальних здатностей розроблювача, його навичок і знань. Сутність роботи зі створення топології ІМС зводиться до знаходження такого оптимального варіанта взаємного розташування елементів схеми, при якому забезпечуються високі показники ефективності виробництва і якості ІМС: низький рівень бракованих виробів, низька вартість, матеріалоємність, висока надійність, відповідність одержуваних електричних параметрів заданим.

До розробки топології приступають після того, як кількість, типи й геометрична форма елементів ІМС визначені.

Правила проектування ізольованих областей. Кількість і розміри ізольованих областей впливають на характеристики ІМС, тому:

1) сумарна площа ізолювальних р-п-переходів повинна бути мінімальною, тому що їхня ємність є паразитною. Мінімальні розміри ізольованої області визначаються геометричними розмірами елементів, що перебувають у ній, і зазорами, яких необхідно дотримуватись між краєм ізольованої області й елементами й між самими елементами, розміщеними в одній ізольованій області;

2) до ізолювальних р-п-переходів завжди повинна бути прикладена напруга зворотного зсуву, що практично здійснюється приєднанням підкладки  р-типу або області розділової дифузії р-типу, до точки схеми з найбільшим негативним потенціалом. При цьому сумарна зворотна напруга, прикладена до ізолювального р-п-переходу, не повинна перевищувати напруги пробою;

3) дифузійні резистори, формовані на основі базового шару, можна розташовувати в одній ізольованій області, яка підключається до точки схеми з найбільшим позитивним потенціалом. Звичайно такою точкою є контактна площадка ІМС, на яку подається напруга зсуву від колекторного джерела живлення (рис. 6.3, а, б);

 

                               а                                                           б

 

Рисунок 6.3 –  Принципова електрична схема ІМС (а) і

перетворена електрична схема для складання ескізу топології (б)

 

4) резистори на основі емітерного й колекторного шарів слід розташовувати в окремих ізольованих областях;

5) транзистори типу п-р-п, колектори яких приєднані безпосередньо до джерела живлення, доцільно розміщати в одній ізольованій області разом з резисторами;

6) транзистори типу п-р-п, які включені за схемою із загальним колектором, можна розташовувати в одній ізольованій області;

7) усі інші транзистори, крім згаданих у п. 5 і 6, необхідно розташовувати в окремих ізольованих областях, тобто всі колекторні області, що мають різні потенціали, повинні бути ізольовані;

8) для зменшення паразитної ємності між контактними площадками й підкладкою, а також для захисту від короткого замикання у випадку порушення цілісності плівки окисла під ними при приварюванні дротових виводів під кожною контактною площадкою створюють ізольовану область, за винятком контактних площадок з найбільшим негативним потенціалом;

9) кількість ізольованих областей для діодів може сильно змінюватися залежно від типу діодів і способів їх включення. Якщо як діоди використовуються переходи база – колектор, то для кожного діода потрібна окрема ізольована область, тому що кожен катод (колекторна область n-типу) повинен мати окремий вивід. Якщо як діоди використовуються переходи емітер – база, то всі діоди можна розташувати в одній ізольованій області. При цьому всі катоди діодів (емітерні області) сформовані окремо в загальному аноді (базовій області). Аноди діодів за допомогою сполучної металізації закорочують на ізольовану (колекторну) область;

10)  для дифузійних конденсаторів потрібні окремі ізольовані області. Винятком є випадки, коли один з виводів конденсатора є загальним з іншою ізольованою областю;

11)  для дифузійних перемичок завжди потрібні окремі ізольовані області.

Правила розміщення елементів ІМС на площі кристала. Після визначення кількості ізольованих областей приступають до їхнього розміщення в потрібному порядку, розміщення елементів, з'єднання елементів між собою й з контактними площадками, керуючись такими правилами [5 – 16]:

1) при розміщенні елементів ІМС і виконанні зазорів між ними необхідно строго дотримуватись обмежень (див. рис. 6.2), що відповідають типовому технологічному процесу;

2) резистори, у яких потрібно точно дотримуватись відношень номіналів, повинні мати однакову ширину й конфігурацію та розташовуватися поруч один з одним. Це стосується й інших елементів ІМС, у яких потрібно забезпечити точне співвідношення їх характеристик;

3) резистори з великою потужністю не слід розташовувати поблизу активних елементів;

4) дифузійні резистори можна перетинати провідною доріжкою поверх шару окисла кремнію, що покриває резистор (див. рис. 6.3, б);

5) форма й місце розташування конденсаторів не є критичними;

6) з'єднання, використовувані для введення живлення, заземлення, вхідний і вихідний виводи необхідно виконувати у вигляді широких і коротких смужок, що зменшує паразитні опори;

7) для поліпшення розв'язки між ізольованими областями контакт до підкладки слід розташовувати поруч із потужним транзистором або якнайближче до входу або виходу схеми;

8) число зовнішніх виводів у схемі, а також порядок розташування й позначення контактних площадок виводів ІМС на кристалі повинні відповідати виводам корпусу;

9) комутація в ІМС повинна мати мінімальну кількість перетинань і мінімальну довжину провідних доріжок. Якщо повністю уникнути перетинань не вдається, їх можна здійснити, використовуючи обкладинки конденсаторів, формуючи додаткові контакти до колекторних областей транзисторів, застосовуючи дифузійні перемички й, нарешті, створюючи додатковий шар ізоляції між пересічними провідниками;

10) перша контактна площадка розташовується у нижньому лівому куті кристала й відрізняється від інших за її положенням відносно фігур сполучення або заздалегідь зазначених елементів топології. Нумерацію інших контактних площадок проводять проти годинникової стрілки. Контактні площадки розташовують залежно від типу обраного корпусу по периметру кристала або по двох протилежних його сторонах;

11) фігури сполучення розташовують однією – двома групами на будь-якому вільному місці кристала;

12) при розробці аналогових ІМС елементи вхідних диференціальних каскадів повинні мати однакову топологію й бути однаково орієнтованими в площині кристала; для зменшення теплового зв'язку вхідні й вихідні каскади повинні бути максимально віддалені; для зменшення високочастотного зв'язку через підкладку контакт до неї слід здійснювати у двох точках – поблизу вхідних і вихідних каскадів.

Рекомендації з розробки ескізу топології. Для забезпечення розробки ескізу топології рекомендується із самого початку накреслити принципову електричну схему так, щоб її виводи були розташовані в необхідній послідовності (див. рис. 6.3, б). Кожна лінія, що перетинає резистор на принциповій електричній схемі, буде відповідати металізованій доріжці, що перетинає дифузійний резистор по окислу на топологічній схемі [5 – 16].

На етапі ескізного проектування топології необхідно передбачити вирішення таких завдань: розташувати якомога більше число резисторів в одній ізольованій області; подати найбільший потенціал на ізольовану область, де розміщені резистори; подати найбільший негативний потенціал на підкладку поблизу потужного транзистора вихідного каскаду; розосередити елементи, на яких розсіюються великі потужності; розташувати елементи з найменшими розмірами й з найменшими запасами на суміщення в центрі ескізу топології; скоротити число ізольованих областей і зменшити периметр кожної ізольованої області.

У випадку, якщо принципова електрична схема містить відокремлені групи або періодично повторювані групи елементів, об'єднані в одне ціле з погляду виконуваних ними функцій, розробку рекомендується починати зі складання ескізів топології для окремих груп елементів, потім об'єднати ці ескізи в один, відповідний всій схемі.

На основі ескізу розробляють попередній варіант топології, який накреслюють на міліметровому папері в обраному масштабі, зазвичай 100:1 або 200:1 (вибирають масштаби, кратні 100). Топологію проектують у прямокутній системі координат. Кожен елемент топології являє собою замкнену фігуру зі сторонами, що складаються із відрізків прямих ліній, паралельних осям координат. Надання елементам форм у вигляді відрізків прямих ліній, не паралельних осям координат, припустиме тільки в тих випадках, коли це приводить до значного спрощення форми елемента. Наприклад, якщо форма елемента складається з ламаних прямих, складених у вигляді «сходів» із дрібним кроком, рекомендується замінити їх однією прямою лінією. Координати всіх точок, розташованих у вершинах кутів ламаних ліній, повинні бути кратні кроку координатної сітки.

При виконанні креслення топології на міліметровому папері вибирають мінімальний крок координатної сітки, рівний 0,5 мм. Можна вибрати інший крок, але він повинен бути кратним мінімальному. Дійсний (на кристалі) розмір кроку координатної сітки залежить від обраного масштабу топології.

При кресленні загального вигляду топології рекомендується використовувати лінії різного кольору для різних шарів ІМС: емітерного – чорний, базового – червоний, розділового (колекторного) – зелений, вертикального – чорний пунктирний, прихованого – зелений пунктирний, металізації – жовтий, вікна в окислі для контакту до елементів – синій пунктирний, вікна в пасивувальному (захисному) окислі – синій суцільний.

Під час креслення топології для одержання оптимального компонування можлива зміна геометрії пасивних елементів, наприклад пропорційне збільшення довжини й ширини резисторів або їх багаторазовий вигин, що дозволяє провести над резистором смужки металевого розведення або одержати більш щільне упакування елементів. При зміні форми пасивних елементів у процесі їх розміщення проводять коректувальні розрахунки відповідно до формул і рекомендацій.

При проектуванні шару металізації розміри контактних площадок і провідників слід брати мінімально допустимими, а відстані між ними – максимально можливими.

Після вибору розташування елементів і контактних площадок, створення рисунка розведення необхідно розмістити на топології фігури суміщення, тестові елементи (транзистори, резистори тощо – прилади, призначені для вимірювання електричних параметрів окремих елементів схеми), реперні знаки. Фігури суміщення можуть мати будь-яку форму (найчастіше квадрат або хрест), причому потрібно врахувати, що на кожному фотошаблоні, крім першого й останнього, є дві фігури, розташовані поруч одна з одною. Менша фігура призначена для сполучення з попередньою технологічною операцією, а більша – з наступною. На першому фотошаблоні розташована тільки більша фігура, а на останньому – тільки менша.

При розробленні топології важливо одержати мінімальну площу кристала ІМС. Це дозволяє збільшити продуктивність, знизити матеріалоємність і підвищити вихід придатних ІМС, оскільки на одній напівпровідниковій пластині можна розмістити більше число кристалів і зменшити ймовірність попадання дефектів на кристал. При розмірах сторони кристала до 1 мм її величину вибирають кратною 0,05 мм, а при розмірах сторони кристала 1 ÷ 2 мм – кратною 0,1 мм.

Для будь-якої принципової електричної схеми можна одержати багато прийнятних попередніх варіантів топології, що задовольняють електричні, технологічні і конструктивні вимоги. Будь-який попередній варіант підлягає подальшій доробці.

Якщо після ущільненого розміщення всіх елементів на кристалі обраного розміру залишилася незайнята площа, рекомендується перейти на менший розмір кристала. Якщо цей перехід неможливий, то незайняту площу кристала можна використовувати для внесення в топологію змін, спрямованих на зниження вимог до технології виготовлення напівпровідникової ІМС. Наприклад, можна збільшити розміри контактних площадок і відстані між контактними площадками, ширину провідників і відстань між ними, за змоги випрямити елементи розведення, резистори, границі ізольованих областей.

На закінчення роблять контрольно-перевірні розрахунки отриманої топології мікросхеми, що включають у себе оцінення теплового режиму й паразитних зв'язків.

Перевірка правильності розробки топології ІМС. Останній зі складених і задовольняючий усі вимоги варіант топології піддають перевірці в такій послідовності. Перевіряють відповідність технологічним обмеженням: мінімальних відстаней між елементами, що належать одному й різним шарам ІМС; мінімальних розмірів елементів, прийнятих у даній технології, та інших технологічних обмежень; наявність фігур суміщення для всіх шарів ІМС; розмірів контактних площадок для приєднання гнучких виводів; розрахункових розмірів елементів їх розмірам на кресленні топології; потужності розсіювання резисторів, максимально допустимої питомої потужності розсіювання (мВт/мм²), а також забезпечення можливості контролю характеристик елементів ІМС [5 – 16].

Розробка документації на комплект фотошаблонів для виробництва ІМС. Виходячи з остаточного й перевірного варіанта топології ІМС, виконують креслення шарів схеми, необхідні для створення комплекту фотошаблонів. Для ІМС з прихованим шаром та ізоляцією p-n-переходами, виготовленою за планарно-епітаксіальною технологією, необхідний комплект із семи фотошаблонів для проведення таких фотолітографічних операцій:

1)    розкриття вікон в окислі під локальну дифузію донорної домішки при створенні прихованих шарів перед операцією епітаксії;

2)    розкриття вікон в окислі під розділову дифузію акцепторної домішки при створенні ізолювальних областей;

3)    розкриття вікон в окислі під локальну дифузію акцепторної домішки при створенні базової області транзисторів і резисторів;

4)    розкриття вікон в окислі під локальну дифузію донорної домішки при створенні емітерних областей транзисторів, резисторів, дифузійних перемичок і приконтактних областей у колекторах транзисторів;

5)    розкриття вікон в окислі під контакти розведення до елементів ІМС;

6)    фотолітографії по плівці алюмінію для створення рисунка розведення й контактних площадок;

7)    фотолітографії по плівці захисного діелектрика для розкриття вікон до контактних площадок ІМС.

 

Завдання

 

Розробити топологію ІМС. За основу розробки топології ІМС взяти електричну принципову схему пристрою. Після перевірного розрахунку схеми здійснюють розрахунок геометричних (топологічних) розмірів пасивних та активних елементів. Проектування ескізу топології рекомендують починати з будь-якої контактної площадки, потім послідовно переходять від одного елемента до іншого, розташовуючи елементи, що сполучені між собою, в безпосередній близькості один до одного і враховуючи вимоги до розташування контактних площадок.

 

Звіт повинен містити

 

1. Електричну принципову схему.

2. Вимоги до електричних параметрів і до параметрів активних і пасивних елементів.

3. Конструктивно-технологічні вимоги й обмеження.

4. Розрахунок геометричних (топологічних) розмірів пасивних та активних елементів.

5. Топологію ІМС.

6.  Висновки.

 

Контрольні запитання

 

1. Що слугує основою розробки топології ІМС ?

2. Які існують конструктивно-технологічні обмеження при розробленні топології ІМС на біполярних транзисторах ?

3. Які існують правила проектування ізольованих областей елементів
ІМС ?

4. Які існують правила розміщення елементів ІМС на площадці кристала ?

5. Які існують рекомендації із розробки ескізу топології ІМС ?

6. В чому полягає перевірка правильності розробки топології ІМС ?