Проектирование топологии ИМС

16

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

КАФЕДРА РЭС

РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ:

"Проектирование топологии ИМС"

МИНСК, 2009

Основой для разработки топологии полупроводниковой ИМС являются электрическая схема, требования к электрическим параметрам и к параметрам активных и пассивных элементов, конструктивно-технологические требования и ограничения.

Разработка чертежа топологии включает в себя такие этапы: выбор конструкции и расчет активных и пассивных элементов ИМС; 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 ИМС, минимизация суммарной длины разводки и числа пересечений в ней.

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

Рис. 1. Соотношение размеров областей транзистора со стандартным размером d

Важнейшей технологической характеристикой, определяющей горизонтальные размеры областей транзисторов и других элементов ИМС, 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. Пусть минимальный размер, который может обеспечить технология, равен d. Тогда размеры активных областей и самого транзистора при минимальной его площади определятся величинами, приведенными на рис.1. Зазор между областью, занимаемой транзистором, и другими элементами ИМС больше минимального размера d на величину боковой диффузии под окисел, которая при разделительной диффузии примерно равна толщине эпитаксиального слоя d₃. Таким образом, при минимальном размере 10 мкм минимальная длина транзистора простейшей конструкции будет равна ~ 130 мкм. При достигнутом в настоящее время уровне технологии, характеризующемся минимальным размером 4 мкм, минимальная длина транзистора равна ~ 60 мкм. При минимальном размере 1,5-2 мкм, предельном для оптической фотолитографии, размер транзистора при d_a = 3 мкм составит ~ 28 мкм.

Приведенные рассуждения верны, если суммарная величина боковой диффузии при формировании базовой и эмиттерной областей существенно меньше d. Если это условие не выполняется, то для минимально допустимого топологического зазора между двумя диффузионными областями справедливо соотношение

где y₁ и y₂ - величины боковой диффузии под окисел; д_Ф - суммарная допустимая ошибка в положении края окон под диффузию за счет фотолитографии; w₁ - максимальная ширина области объемного заряда в работающем приборе.

Приведенное неравенство можно не учитывать при d=10 мкм (см., например, рис.2), но при d?5 мкм с ним приходится считаться, и снижение линейных размеров транзисторов с дальнейшим уменьшением d будет проходить уже не столь высокими темпами.

Рис.2 Вертикальная структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора с двумя выводами базы и кольцевым выводом коллектора, выполненная в масштабе (разводка не показана): 1 - скрытый n+-слой; 2 - подложка р-типа; 3 - коллектор (эпитаксиальный слой); 4 - область разделительной диффузии.

Рис.3. Конструктивно-технологические ограничения при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах.

Конструктивно-технологические ограничения, которые необходимо учитывать при разработке топологии ИМС на биполярных транзисторах, приведены на рис.3. Приведем конструктивно-технологические ограничения при конструировании ИМС на биполярных транзисторах, выполненных по планарно-эпитаксиальной технологии с использованием изоляции р-n-переходом.

Минимально допустимые размеры, мкм

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.

Правила проектирования топологии полупроводниковой ИМС. Разработка топологии ИМС - творческий процесс, и его результаты существенно зависят от индивидуальных способностей разработчика, его навыков и знаний. Сущность работы по созданию топологии ИМС сводится к нахождению такого оптимального варианта взаимного 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. Приводимые здесь правила проектирования являются обобщением опыта проектирования ИМС на биполярных транзисторах.

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

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

суммарная площадь изолирующих р-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;

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

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 (рис.4, а, б);

Рис.4 Принципиальная электрическая схема цифровой ИМС на токовых ключах (а) и преобразованная электрическая схема для составления эскиза топологии (б).

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

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

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

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;

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;

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 (рис.5, а). Если в качестве диодов используются переходы эмиттер - база, то все диоды можно поместить в одной изолированной области. При этом все катоды диодов (эмиттерные области) сформированы отдельно в общем аноде (базовой области, рис.5, б). Аноды диодов с помощью соединительной металлизации закорачивают на изолированную (коллекторную) область;

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

для диффузионных перемычек всегда требуются отдельные изолированные области.

Рис. 5. Принципиальные электрические схемы и конструкции трех диодов с общими анодами: а - на основе перехода Б-К (1 - базовые области р-типа; 2 - коллекторные области n-типа; 3 - подложка; 4 - коллекторные контакты); б - на основе перехода БК-Э (1 - подложка; 2 - коллекторная область n-типа; 3 - базовая область р-типа; 4 - эмиттерные области n-типа; 5 - перемычка коллектор - база).

Правила размещения элементов ИМС на площади кристалла. После определения количества изолированных областей приступают к их размещению в нужном порядке, размещению элементов, соединению элементов между собой и с контактными площадками, руководствуясь следующими правилами:

при размещении элементов ИМС и выполнении зазоров между ними необходимо строго выполнять ограничения (см. рис. 3), соответствующие типовому технологическому процессу;

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;

резисторы с большой мощностью не следует располагать вблизи активных элементов;

диффузионные резисторы можно пересекать проводящей дорожкой поверх слоя окисла кремния, покрывающего резистор (см. рис.4, б);

форма и место расположения конденсаторов не являются критичными;

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

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

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

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;

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;

фигуры совмещения располагают одной-двумя группами на любом свободном месте кристалла;

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.

Рекомендации по разработке эскиза топологии. Для обеспечения разработки эскиза топологии рекомендуется с самого начала вычертить принципиальную электрическую схему так, чтобы ее выводы были расположены в необходимой последовательности (см. рис.4, б). 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 разрабатывают предварительный вариант топологии, который вычерчивают на миллиметровой бумаге в выбранном масштабе, обычно 100: 1 или 200: 1 (выбирают масштабы, кратные 100). Топологию проектируют 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 принимают 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 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 могут иметь любую форму (чаще всего квадрат или крест), причем надо учесть, что 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.

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 производят 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 подвергают проверке в такой последовательности. Проверяют 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; расчётных размеров элементов их размерам на чертеже топологии; мощности рассеяния резисторов, максимально допустимой удельной мощности рассеяния

(P₀=P/S_r?10³ч10⁴ мВт/mm²),

а также обеспечение возможности контроля характеристик элементов ИМС. Разработка документации на комплект фотошаблонов для производства ИМС. Исходя из окончательного и проверочного варианта топологии ИМС, выполняют чертежи слоев схемы, необходимые для создания комплекта фотошаблонов. Для ИМС со скрытым слоем и изоляцией элементов р-n-переходами, изготовляемой по планарно-эпитаксиальной технологии, необходим комплект из семи фотошаблонов для проведения следующих фотолитографических операций: 1 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании скрытых слоев перед операцией эпитаксии; 2 - вскрытия окон в окисле под разделительную диффузию акцепторной примеси при создании изолирующих областей; 3 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию акцепторной примеси при создании базовой области транзисторов и резисторов; 4 - вскрытия окон в окисле под локальную диффузию донорной примеси при создании эмиттерных областей транзисторов, резисторов, диффузионных перемычек и приконтактных областей в коллекторах транзисторов; 5 - вскрытия окон в окисле под контакты разводки к элементам ИМС; 6 - фотолитографии по пленке алюминия для создания рисунка разводки и контактных площадок; 7 - фотолитографии по пленке защитного диэлектрика для вскрытия окон к контактным площадкам ИМС.

Литература