NO783892L - Large scale integration (l.s.i.) skivekonstruksjon og fremgangsmaate for fremstilling av et flertall l.s.i. skiver - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en L.S.I. skivekonstruksjon av den i det etterfølgende pa.tentkrav 1 angitte art. Likeledes vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av slike skivekon-struks joner.

Oppfinnelsen har som formål å tilveiebringe en L.S.I. skivekonstruksjon og fremgangsmåte for fremstilling av denne, hvor

- oppnåelse av meget høy ytelse gjøres mulig,

- tidsforsinkelse i kretsene i skivekonstruksjonen er bedre enn to nanosekunder, - et flertall transistorer og et flertall motstander dannes i skiven og anordnes i monstre på en slik måte at et stort antall emitter-folgerkretser kan dannes,

- to lag metallisering anvendes, for å danne sammenkoblinger,

- emitter^folgerkretser anordnes i grupper og grupper dannes i en rekke, - hver gruppe er i stand til å danne et flertall logiske kretser,

mange felles masker kan anvendes,

- -et felles diffusjonsmonster anvendes for alle skivene,

- det anvendes transistorer som har vaskede emittere med relativt små geometrier slik at meget hurtige organ tilveiebringes, - motstandene og små transistorer dannes i grupper som kalles "makro'ene", - motstandene i hver makro er plassert med en ende av hver av motstandene nær den ytre omkretsen av makro'ene i et området som ellers kan være bortkastet rom, - motstandene er plassert slik at den ene enden av hver av motstandene er nær midten av makroregionen hvor alle sammenkoblingen av makro'en fullfores og den andre enden av motstanden er plassert nær enden av periferien av makro'en hvor krafttil-forselslinjen for makro'en loper slik at behovet for ytterligere oppkobling eliminéres, - motstandene er lagt. ut symmetrisk rundt en senterlinje igjennom makro'en slik at makro'en kan reverseres ved å slå over fra en orientering til den neste for å forenkle sammenkoblingen mellom makro'er, - visse motstander i makro'en er slått sammen i basisregionen

.av visse transistorer for å danne felles anordninger,

store emitter-folger transistorer befinner seg på periferen.

av skiven,

- åpne lederkanaler er tilveiebragt for lett "computer aided design" (CAD)'plassering av inter-makroledere og for "tett" plassering av intra-makroledere, - bare et begrenset antall av inn-ut porter kreves for hver makro og hvor kun et begrenset antall posisjoner kreves for slike porter, - det tilveiebringes transistorer som er blitt valgt på grunnlag av sin hurtighet og stabilitet (hby r^ og lav C ),

- strømbryterkretser anvendes,

- en spenningsreferansegenereringskrets anvendes i forbindelse med et spenningsfordelingssystem,

det er et relativt høyt forhold på 3:1 eller større i motstand mellom Veeog jordfordelingsskinner eller grener,

- kr.aftgrenen er tilveiebragt i to lag,

- spenningsfallet på grunn av motstanden og induktans i lederne på jordfordelingssystemet folger spenningsfallet på Vee spennings-dis tr ibusjonssys ternet ,• - en betydelig innebygget krafttilforselsavkoblingskapasitans oppnås, - jordforskyvninge.n foretas for å folge med temperaturen av skiven, - forskjellige typer av skiver lages ved å anvende, forskjellige metallmonstré, - den første nivåmetalliseringen har ledere som alle forløper i en retning, og

;den andre nivåmetalliseringen har ledere som løper i rett vinkel 1 ■ • ■ i i forhold til lederne på det første metalliseringslåget. j

De for oppfinnelsen kjennetegnende trekk fremgår av de etter-følgende patentkrav.

Ytterligere formål og'trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den efterfblgende beskrivelse i hvilken de foretrukkede utfbr<p.>lser er angitt i detalj i forbindelse med de vedlagte tegninger. Figur 1 er et topp-planriss av en L.S.I. skivekonstruksjon som innbefatter den foreliggende oppfinnelse bg viser den samme montert i en palcke. Figur 2 er et tverrsnitt langs linjen 2-2 i figur 1. Figurene 3A-3L er tverrsnitt som viser metoden som anvendes for fremstilling L.S.I. skiven. Figurene 4A-4J er planriss av difusjonsmasken som anvendes i trinnene som vises i figurene 3A-3L. Figur 5 er et planriss av L.S.I.- skiven med monsteret som er gitt av figur 4E dannet i den av makro'ene av skiven. Figur 6 er et i stor.grad forstbrret bilde av transistorene og motstandene i en av makro'ene (gruppene).

Figur 7 er en maske for det f.br ste metaliseringslaget.

Figur 8 er et planriss av en maske for gjennomgangshullene (via-hull) . Figur 9 er et planriss av en maske for det andre metaliseringslaget for L.S.I. skiven. Figurene 10, 11 og 12 er kretsdiagrammer av komponentene i skiven. Figur 13 er et forstbrret planriss av makro'en og viser inn/ut portene.

En L.S.I. skive 21 som innbefatter den forliggende oppfinnelse er vist i figurene 1 og 2 og er montert inne i pakken 22 av den type som er beskrevet i Norsk patentansbkning nr. 28.13/73.

Ved fremstilling av L.S.I skiven anvendes det tynnskiver (wafers) . av en hensiktsmessig stbrrelse slik som 6,35 cm i diameter og 0.508 mm i tykkelse for å tilveiebringe halvlederlegemet 26. Halvlederlegemet . 26 er dannet av silisium og har en urenhet av . en konduktivilitet type, P-type jevnt fordelt i silisiumet. Halvlederlegemet 26 er forsynt med en plan overflate 27 som er vist i figur 3A. Et isolerende lag 28 dannet av et hensiktsmessig materiale slik som silisium-dioksyd er dannet på overflaten 27 for å- tjene som difusjonsmaske. Vinduer eller åpninger 29 er dennes i det isolerende laget 28 ved anvendelse av konvensjonell-fotolitografiske teknikker i forbindelse med masken som er vist i figur 4A. Stbrrelsen av åpningene eller vinduene 29.bestemmes av stbrrelsen av de morke arealene 31 i masken som er vist i figur 4A. Som det vil fremgå av figur 4A er vinduene 31 av forskjellige stbrrelser og er anordnet i et forutbestemt monster. Monsteret som er vist i figur 4A koresponderer med monsteret for en makro av et flertall av 25 slike makro'er som tilveiebringes for hver skive (chip) hvor hver tynnskive tilveiebringer 100 eller flere L.S.I. skiver (chips).

Efter at åpningene eller vinduene 29 er blitt dannet,diffunderes en hensiktsmessig N-type urenhet igjennom åpningene 29 for å danne N-type regioner 22 som bestemt i tverrsnitt av skåleformede . PN overgangene 33 som forlbper til overflaten 27 under det isolerende laget 28. På det tidspunktet hvx den diffunderte regionen 3 2 er blitt dannet, dannes det relativt tynt lag 28a av silisium- dioksyd i vinduene 29 som vist i figur 3C.

Efter at de diffunderte regionene 32 er blitt dannet, fjernes silisium-dioksyd-laget 28 fra overflaten 27 ved hjelp av en.hen-sikt messig etser. Et epitaksi all ag 34 méd en N-type-urenhet dannes så på overflaten til en hensiktsmessig tykkelse som f.eks. 0,254/1000 cm. Epitaksiallaget 34 har en plan overflate 36. Under den tiden som epitaksiallaget 34 dannes, vil regionene 32 som skal danne skjulte lag (burried layers), utdiffundere oppad inn i det epitaksiale lag 34 som vist i fig. 3D.

Etter at epitaksiallaget 34 er blitt oppbygget, bygges det et lag 37 av silisium-dioksyd på overflaten 36 og så ved anvendelse

av konvensjonelle fotolitografiske teknikker og masken som er vist i fig. 4B, dannes det åpninger eller vinduer 38 i silisium- dioksyd-lag 37. Stbrrelsen av åpningene 38 korresponderer med stbrrelsen av de morke arealene 39 i masken som vist i fig. 4B.

En hensiktsmessig N-typeurenhet diffunderes så gjennom åpningene eller vinduene 38 i en dypdiffusjonsprosess for å danne N+ regioner 41 som strekker seg nedad og lager kontakt med det N-type skjulte lag og N-typekollektorregionen 32, som vist i

fig. 3D. Etter denne dype kollektordiffusjon er blitt utfort, kan silisium-dioksyd-1aget 37 fjernes ved hjelp av en hensiktsmessig etser og et annet lag av silisium-dioxyd 42 kan bygges, opp på overflaten 36 som vist i fig. 3E. Vinduene 43 blir så dannet i silisium-dioksyd-laget 42 ved hjelp av konvensjonelle fotolitografiske teknikker som anvender masken som er vist i fig. 4C. Åpningene eller vinduene 43, som dannes i silisium-dicksyd-laget 42, korresponderer med de morke arealene 44 som er tilveiebragt'

i masken som er vist i fig. 4C. De morke arealene 44 definerer også et flertall lommer 46 som, som vist i fig. 4c, tilveiebringer fire lommer til venstre, fire lommer til hbyre og en lomme i midten som danner isolasjonsregioner (se fig. 3E) i halvlederlegemet i hvilket transistorer kan dannes som beskrevet i det etterfblgende.

En P-typeurenhet diffunderes gjennom åpningene 43 og diffunderes nedad for å gi P+ regioner 47 som diffunderes nedad i tilstrekkelig grad til at de moter P-typehalvlederlegemet 26 for derved å tilveiebringe regioner av N-typehalvledermateriale i epitaksiallaget 34, som anvendes for dannelsen av anordninger i L.S.I.skiven som beskrevet i det etterfblgende. De store morke arealene tilliggende lommene 46 korresponderer med arealer i hvilke P-typeurenheten dif funderes for å gi .regioner som er hbyt ledende for å minske så mye som mulig ethvert spenningsfall i regionen i tilfelle av enhver strbm gjennom, isolasjonsregionen. Ved å holde dette spenningsfallet meget lavt, hindrer det aktive anordninger å bli dannet av isolasjonsregionen.

Man vil forstå at isolasjonstrinnet som er tilveiebragt ved masken som vist i fig. 4C kan gå forut for.dannelsen av den dype kollektoren ved anvendelse av masken som vist i fig. 4B hvis ønskelig. Begge trinnene involverer dype diffusjoner, og varmen som kreves for dif fusjonstrinnet påvirker ikke på ødeleggende måte derfor de andre dypdiffunderte regionene som er blitt dannet.

Silisiure-clioksydlagd: 42 fjernes så og et annet silisium-dioksyd-lag 51 bygges opp istedenfor på overflaten 36. Vinduene eller åpningene 52 danres så i silisium-dicksydlaget 51 ved anvendelsen av masken som er vist i fig. 4D, i hvilken de morke arealene 53

representerer vinduene. En P-typeurenhet diffunderes så gjennom vinduene 52 for å gi en P-typeregion 54 som strekker seg generelt ned til den kollektorskjulte lagregionen 32 som vist i fig. 3F

og som gitt av PN-overgangen 56 som strekte r seg til overflaten under silisium-dioksydlag 51. Denne basisregion 54 har en resistivitet på ca. 500 ohm pr. kvadratenhet. Silisium-dioksyd-laget 51 kan deretter fjernes og et annet silisium-dioksyd-lag 57 plasseres i stedet på overflaten 36.

En flertall åpninger 58 blir så dannet i laget 57 ved hjelp av konvensjonelle fotolitografiske teknikker som anvender masken som er vist i fig. 4E,. i hvilken de morke arealene 59 representerer arealer som avdekkes av åpningene 58. En P-typeurenhet diffunderes så gjennom åpningene 58 for å gi kontaktputer 61

for basisregionene 54 og motstandene 62. Motstandene 62 er de-finert av PN-overgangene 63. Regionene 64 og 62 har en resistivitet på ca. 60 ohm pr. kvadratenhet. Fra fig. 4E vil man se at motstandene 64 som dannes, er plassert i makro'en slik at en ende av hver av motstandene nær midten av makroregionen hvor alle intraforbindelsene av makro'en vil bli fullfort som beskrevet nedenfor. Den andre enden av hver av motstandene er plassert slik at den er tilliggende periferien av makro'en hvor krafttilforselslederen vil forløpe som beskrevet i det etter-følgende, slik at disse endene av motstandene kan plukkes opp uten bruk av ytterligere ledere eller ledningsføring. Som det vil ses av fig. 4E, legges motstandene ut slik at de er symmet-riske med hensyn til en senterlinje som passerer gjennom makro'en slik at monsteret kan slås over fra en orientering til den neste for å forenkle sammenkobling av makro'ene. Som man vil forstå,

vil i intra-forbindelsemonsteret i mange tilfeller basisen av transistoren være forbundet med en motstand for således å gjore mulig sammenkobling av basisen og motstanden under den samme dif f us jon sope rasjonen.'.

Laget 57 kan så fjernes og et annet silisium-dioksydlaget 66 bygges opp istedenfor på overflaten 36. Vinduene 67 dannes så i laget 66. ved bruk av ko.nvens jonelle f otolitograf iske teknikker som anvender en maske av den type som vist i fig. 4F, i hvilken de morke arealene 68 representerer arealene av overflaten 36

som er avdekket av vinduene 67. En N-typeurenhet. diffunderes så gjennom åpningéne 67 for å danne N-typeregioner 69 som gitt ved PN-overgangene 71,som strekker seg til overflaten 36 og N+ kontaktregioner 70, som lager kontakt med N+ regionene 41. Åpningene 67 for emitterne har en meget liten mekanisk dimensjon som f.eks. 0,381/1000 cm x 1,27/1000 cm. Kontakt til emitter-regionene 69 foretas ved hjelp av hva som konvensjonelt kalles den vaskede emitterprosess (The washed emitter process). Ved denne prosess fjernes ethvert tynt oksydlag som bygger seg opp i åpningene 67 ved hjelp av eh etser slik at de samme åpningene kan anvendes for å lage emitterkontakter. Den vaskede emitter-prosessen anvendes ved fremstilling av L.S.I.-skiven fordi den sparer flere trinn og også fordi den sparer areal.

For å foroke resultatet av tilfredsstillende L.S.I.skiver fra tynnskiven, foretrekkes det å anvende et emitterbeskyttelses-trinn for i alt vesentlig å eliminere muligheten for nålehull i fotoresisten, som tillater andre emittere å bli dannet på grunn av det faktum at emitterne som anvendes er så små. Dette kan iverksettes ved å anvende en.maske av den typen som er vist i fig. 4G, som har morke arealer 72 som er anordnet i det samme monster som de morke arealene 68 i maskene som er vist i fig.

4F med det unntak at de er noe storre. Således legges et lag av fotoresist ned på overflaten av silisium-dicksydlaget 66

Dette fotoresistlaget eksponeres og fremkalles for å tilveiebringe åpninger i fotoresisten som korresponderer med de morke arealene 72. Deretter plasseres et annet lag av fotoresist over laget som allerede befinner seg på silisiumdio.ksydlaget 66. Dette andre laget av fotoresist eksponeres så gjennom masken som er vist i fig. 4F. Fotoresisten fremkalles så, og de uonskede delene fjernes for å gi åpningen eller vinduer 67 som korresponderer med de morke arealene 68 som korresponderer nbyaktig med stbrrelsen av de bnskede emitterne. Således vil man se at emitteråpningene i fotoresisten kun vil bli dannet hvor begge de morke arealene 68 og 72 overensstemmer. Deretter anvendes

det en hensiktsmessig etser for å danne åpningene 67.. Anvendelsen av de to lagene av fotoresist reduserer i stor grad muligheten for at det vil være overensstemmende nålehull i begge lagene som ville avdekke silisium-dio^<sydlag>e<t.>oet er meget usannsynlig at et nålehull i begge lag av fotoresisten skulle inntreffe på det samme stedet. Ytterligere åpninger 74 blir så dannet i si-1 i sium-di oksyd .laget 66 ved anvendelse av masken som er vist

i fig. 4H, i hvilken de morke arealene 7.6 korresponderer med arealene som er eksponert gjennom silisium-dicksydlaget 66. Dette kan identifiseres som et "pre-ohmisk" trinn.

Hvis bnskelig kan et pre-ohmisk beskyttelsestrinn tilveiebringes som er meget lik emitterbeskyttelsestrinnet som beskrevet ovenfor. For et slikt ftrmål vil en maske av den type som er vist i fig. 41 bli. anvendt, i hvilken de morke arealene 77, som er vist der, er plassert i hovedsaklig de samme posisjonene som de morke arealene 76 med den unntak at de er vesentlig stbrre i stbrrelse. To lag av fotoresist ville igjen bli anvendt, for å minske muligheten for opptreden av nålehull.

Masken som er vist i fig. 4J, viser hovedsaklig bare den mini-mumsmengde av metall fra det fbrste metalliseringslaget. som be-skrives nedenfor, som kreves for å lage kontakt med anordningene i hver makro.

Et lag av et hensiktsmessig metall slik som aluminium, blir så fordampet over hele overflaten av silisium-dioksydlaget 66 og inn i åpningene eller vinduene 67 og 74, som vist i fig. 3J. Deretter blir det uonskede metallet, ved hjelp av konvensjonelle fotolitografiske teknikker og ved anvendelse av masken som vist i fig. 7, fjernet slik at det kun gjenstår metallet som korresponderer med de morke arealene som er vist i fig. 7. De spesielle sammenkoblinger som dannes, vil i det etterfblgende bli

beskrevet i storre detalj.

Så snart monsteret av metallet er blitt dannet i overensstemmelse med monsteret som er vist i fig. 7, belegges hele overflaten av halvlederlegemet med ét lag av isolerende materiale i form av et glass 82 av en hensiktsmessig type.

Etter at glasslaget 82 er blitt dannet, dannes det "via" hull 86 i glasslaget ved bruk av masken som vist i fig. 8, hvor de morke arealene 87 korresponderer med viahullene. Eksempelvis kan visse av viahullene ha en storrelse av 0,762/1000 cm x 0,762/1000 cm.

Deretter kan et andre lag av et hensiktsmessig metall slik som aluminium, fordampes på overflaten av glasset 82 og inn i viahullene 86 for å lage kontakt med det forste laget av metall 81 derunder. Det uonskede metallet fjernes så ved anvendelse av konvensjonelle fotolitografiske teknikker med masken som vist i fig. 9 for å gi monsteret som er vist ved de morke arealene i fig. 9. Så snart monsteret for det andre metalliseringslaget er blitt dannet, kan overflaten av det andre metalliseringslaget 91 dekkes med et lag av glass 96, som vist i fig. 3L. Dette av-slutter generelt fremgangsmåtetrinnene for fremstillingen av L.S.I.skiven.

Slik som det er vanlig når man lager integrerte kretser, vil skivene bli undersokt for å avgjore hvilke skiver som tilfreds-stiller konstruksjonsparametrene for skivene. Deretter vil t.ynnskiven (the wafer) bli risset og brutt og de gode skivene sortert vekk. Skivene er så klare for montering i pakken 22

som beskrevet forut.

L.S.I.skiven er blitt konstruert slik at den inneholder totalt 627 transistorer og 575 motstander som kan sammenkobles til å danne inntil loo stromsvitsjemitterfolgekretser. 13 masker kreves for å fremstille skiven. To metallmasker og en viamaske må lages for hver skivetype, men alle skivetypene anvender de samme diffusjonsmaskene. De 627 transistorene som tilveiebringes for hver L.S.I.skive, innbefatter 550 små anordninger for strbm- svitsjer og. indre emitterfolgere som beskrevet i det etterfølgende. Et flertall av større transistorer 101 er tilveiebragt når den ytre omkretsen av skiven nærliggende alle fire sidene av den rektangulære skiven. Hver av disse storre anordningene eller transistorene 101 er plassert meget nær inn-utputene 102, her-etter benevnt I/U-putene, som er dannet av den første og andre metalliseringen 81 og 91. Som man vil se fra figurene 6, 7 og 8, er i/U-putene anordnet på alle fire sidene av skiven meget nær den ytre omkretsen av den samme og anvendt for å lage for-bindelser til omgivelsene.

Som beskrevet i norsk patentansøkning nr. 2813/73, er skiven, montert i en pakke 22, som beskrevet i denne ansøkning,og som vist i fig. 1 og 2. Skiven 21 er plassert i midten av pakken og festes til pakken som beskrevet i nevnte ansøkning. Pakken er utstyrt med 84 ledere 103, med 21 på hver side av pakken.

Disse lederne 103 er forbundet ved hjelp av tilfestingstråder

104 av et hensiktsmessig materiale slik som gull, til I/U-

putene 102 og spenningsputene 106 og jordputene 107. Som man vil se fra fig. 7, er det to store spe.nningsputer 106 som er blitt identifisert som V og to .store jordputer og fire små jordputer 108, som er blitt identifisert som Vcc-

Fra fig. 1 vil man bemerke at kun en av trådene 104 er tilveiebragt for å forbinde en leder til en av de små putene, mens et flertall tråder, slik som tre tråder,, anvendes for å forbinde hver av de store lederne til hver av de storre putene for å gi storre strombærende evner. Som beskrevet i nevnte ansøkning, lager lederne 103 kontakt med et metallisert skjermmonster som er tilveiebragt som en del av pakken ved hjelp av slaglodding av lederne til skjermmønsteret. Dette metalliserte skjermmonsteret er en iboende del av forbindelsen til skiven og har relativt høy motstand som gir visse ønskede karakteristikker for skiven som beskrevet i det etterfølgende.

Spenningsputene .106 er forbundet med en hensiktmessig spennings-kilde slik som en med - 5V. Spenningsputene 106 dannes som del av vertikale andre lag metalliseringsskinner eller remser 109

(se fig. 9) på motsatte sidér av skiven. Spenningsskinnene 109

forbindes, gjennorn store viahull som er dannet ved hjelp av arealene 111 og små viahull som er dannet av aréalene 112 i masken i fig. 8 til fire store horisontale skinner 113 og to små horisontale skinner 1.14, som er tilveiebragt i den første lagmetalli-seringen (se fig. 7). Som man vil se av fig. 7, er disse skinnene adskilt med lik avstand over skiven hvor de to mindre skinnene 114 befinner seg på motsatte side av skiven og hvor de andre fire storre spenningsskinnene befinner seg med like mel-lomrom mellom de to mindre skinnene. Store viahull. som er laget ved hjelp av arealene 115 på masken i fig. 8, tilveiebringer forbindelse til putene 116 på det forste metalliseringslaget.

Jordforbindelsen for skiven bringes inn gjennom jordputene 107 til et jordfordelingsskinnesystem 117, som består av et flertall

vertikalt forløpende skinner 119, som er anordnet i avstand fra hverandre over skiven og som forløper vertikalt gjennom midten av hver makro. De vertikalt forløpende jordingsskinnene 119 sammenkobles ved hjelp av horisontalt forløpende jordingsskinner 121. Åpningene 122 tilveiebringes i det andre metalliseringslaget i den vertikale jordingsskinnen 119 for å tilveiebringe sammenkoblinger innenfor makro'ene. Jordingssystemet 117 er forbundet gjennom store jordingsviahull som er dannet av arealené 123 og små jordingsviahull som er dannet av arealene 124 (se fig. 8) til store puter 126 og små puter 127 som er tilveiebragt i det forste metalliseringslaget.

Spenningsskinnene er blitt tilveiebragt på det første metalliseringslaget øg jordingsskinnene på det andre metalliseringslaget for å oppnå.et lavt spenningsfall på jordingsskinnesystemet. Dette mindre spenningsfallet på jordingsskinnesystemet oppnås primært på grunn av at det andre metalliseringslaget er vesentlig tykkere enn det første metalliseringslaget. Eksempelvis kan det første metalliseringslaget ha en tykkelse på ca. 6500 til 8000 Ångstrøm, mens det andre metalliseringslaget kan ha en tykkelse på ca. 10 000 til 15 000 Ångstrøm eller med andre ord et forhold på ca. 1:2. Med slike parametre har det første metalliseringslaget en platemotstand på ca. 45- milliohm pr. kvadratenhet, mens det andre metalliseringslaget har én platemotstand på ca. 22 milliohm pr. kvadratenhet. Det første metalliseringslaget har en maksimal strombæreevne på ca, 6,3 mA pr. 1/1000 cm, mens det andre metalliseringslaget har en maksimal strombæreevne på

ca. 9,45 mA pr. 1/1000 cm.

Skivene er blitt konstruert til å ha de forste metallinjene på

det forste metalliseringslaget på 1,78/1000 cm og med de andre metalllinj.ene på det andre metalliseringslaget på 2,41/1000 cm senter. Et viahull som forløper igjennom glasslaget 82, kan plasseres ved enhver krysning av den forste og andre metall-linjen, og således gi et 1,78 x 2,41 1/1000 cm gitter. Det er ikke tillatelig å anvende to tilliggende vias på grunn av at en minimumsklåring på 1,016/1000 cm må være til stede. imidlertid

kan diagonalt tilliggende vias anvendes hvis hjørnene av de andre metallputene kuttes for å opprettholde den nødvendige mini-mumsklarig. Med en slik geometri er minimumsviastorrelsen konstruert til å være 7, 62 x 7,62 1/1000 cm. Det forste laget av metallunderlapping er på 0,381/1000 cm, og det andre laget av. metalloverlapping er på 0,508/1000 cm.

I den foreliggende konstruksjon er det tilveiebragt 25 makros på hver skive hvor hver makro strekker seg over et areal på 61/1000 cm x 61/1000 cm. Hver makro inneholder et forspenningsdrivtrinn og nok anordninger til å lage 2, 3 eller 4 stromsvitsj-emitterfolgere. Anordningene er anordnet i fire speilbilde-kvadranter rundt forspenningsdrivtrinnet. Hver makro har 24

faste posisjoner hvor dens I/U kan forbindes ved hjelp av inter-makroledningsføring. Et. maksimum på 13 kan anvenden på enhver gitt makro for å begrense kanalledningsføringskravene. Dette

er et hensiktsmessig tall fordi de fleste doble "in-line"-pakker som nå anvendes, som har "small scale"-skiver, har 14 ledere.

Fig. 13 viser plasseringen av de 24 I/U-portene 131, som er blitt således benevnt. Som man vil se av fig. 13, er makrosammen-koblingsgitteret vist med den type av metall som kan anvendes ved hvert gitter-punkt i makro<1>ets gitter. Hver av makroene kan plasseres i en hvilken som helst av de 25 mulige makroposisjonene på skiven. For å forenkle skiveledningsføringen, har alle makro'ene evnen til å kunne vendes om Y-aksen.

I fig. 6 er det vist diffusjonsmonsteret for en makro. Diffu-sjonsoperasjonene for å danne - monsteret som er vist i fig. 6,

er blitt beskrevet tidligere. Alle motstander lages av 60 ohm pr. kvadratenhet basisdiffusjon. Som det vil fremgå av fig. 6, har motstandene form av et kjbttbein, dvs. de er langstrakte med fdrstorréde ender hvor visse av motstandene har en "S"-b6yning mellom endene for å kutte ned på arealet over hvilket motstandene forloper. Visse av motstandene som kobler direkte til anordningene, har rette ender. I den foreliggende konstruksjon er den minimale motstandsbredden 0,762/1000 cm for motstander med en los toleranse. Et minimum pa 1,016/1000 cm bredde anvendes for snevrere toleransemotstander eller motstander som må folge hverandre i verdi. Den minimale putekontaktåpningen er kvad-ratisk med sider lik 0,762/1000 cm.

I fig. 10 er det vist et kretsdiagram av den interne kretsen som anvendes i hver makro. Fire av kretsene som er vist i fig. 10, er tilveiebragt, og hver består av motstander RI - R5 og transistorer Tl - T5, som også er blitt identifisert i fig. 6. Som forklart tidligere, er fire av kretsene av den type som er vist i fig. 10, tilveiebragt rundt hvert forspenningsdrivtrinn hvor ett er tilveiebragt for hver makro. Kretsdiagrammet for forspenningsdrivtrinnet er vist i fig. 11, og består av motstandene R6, R7 og R8, og transistorene T6 og T7, som også er blitt identifisert i fig. 6.

Den logiske kretsen som er vist i fig. 10, er'en stromsvitsjemitterfolger som opererer på konvensjonell måte. Den opererer med en - 5, 2V (V ee ) krafttilførsel.. Eh- 1, 3V (V,b, b) genereres ved hjelp av en forspenningsdrivtrinnkrets i hver makro.

Hvis en stromsvitsjemitterfolger har alle sine laster på samme skiven, blir en liten transister og en 2 k nedtrekkings- (pull-down) motstand som er plassert inne i makro'en, anvendt ved emitterfolgeren (indre EF). Når en stromsvitsjemitterfolger driver laster som ikke er på skiven, anvendes en storre transistor nær I/U-puten som emitterfolgeren (ytre EF). Et kretsdiagram for den ytre emitterfolgertransistoren er vist i fig. 12, som opererer på samme måte som indre stromsvitsj. Hver ytre emitterfolger vil drive en transmisjonslinje terminert i 100 ohm til - 2,0V. Hvis en indre emitterfolger driver en stor last, kan to nedtrekkingsmotstander anvendes for å gjore avslåingen hurtigere.

Med kretsen konstruert på denne måte, er det blitt funnet at det nominelle effektforbruket for en strdmsvitsj er 20 milliwatt,

for en indre emitterfolger er 10 milliwatt, for en ytre emitter-folger er den 10 milliwatt, og for forspenningskretsen er den 21,5 milliwatt.

I'forbindelse med hver av makro'ene, er alle ubrukte anordninger bundet til V eller jord på en måte som ikke forbruker effekt

ee

ellerbevirker lekkasjebaner. Strdmsvitsjemittermotstandene eller emitterfdlgernedtrekkingsmotstandene er alltid knyttet til V ee -kraftskinnen. Alle kollektormotstandene og ^ transistorkollek-torene er forbundet med jord. Hvis en i/U-port for en makro ikke brukes, kortsluttes basisinngangene til emitteren, og emitter-folgeremitterne etterlates åpne.

I kombinasjonen motstand-transistorer som er tilveiebragt i hver av makro'ene, er den ut-av-fase indre emitterfdigertransistoren Tl og basisforspenningsmotstanden R5 i den samme overgangs-isolasjonsregion. N-type-silisiumet forbindes til jord for emitterfdlgerkollektoren for å holde motstandsovergangen motsatt forspent. Basiskontakten for transistoren og for motstanden er begge laget av den samme diffusjonen. Etter som de alltid elektrisk er bundet sammen, sammenfoyes motstanden og basisen under diffusjonen for å spare plass og eliminere en pre-ohmisk åpning.

Fire storrelser av transistorer anvendes i L.S.I.skiven. Den minste anordningen anvendes i strbmsvitsjen i makro'en. En dobbel strdmsvitsjtransistor med en felles kollektor anvendes for strdmsvitsjinnmatninger, og er representert ved transistorene T2 og T3. En tredje liten anordning som anvendes for indre emitterfolgere slik som transistoren T5, er den samme som strdm-svits janordningen, bortsett fra en 127 mikrocm storre avstand fra kollektoråpningen til emitteren. En storre transistor med to basiskontakter slik som transistoren T9, anvendes som en ytre emitterfolger. De ytre emitterfølgerne er plassert nær I/U-puten for å kutte ned utgangsledermotstanden. Når den anvendes, kan hver emitter av hver transistor kobles til. en av to tilliggende puter. Derfor kan en pute kobles til maksimalt to emitterfølgere. Disse ytre emitterfolgertransistorene har ca. fem ganger storre strømbærende kapasitet enn de mindre transistorene. Disse store transistorene er blitt plassert rundt ytterkanten av skiven for å minske enhver sariemotstand mellom disse ytre emitterfølgetran-s^storene og omgivelsene. Således er de blitt plassert meget nær I/U-putene slik at det totale løp fra emitteren av den ytre emitterfolgeren til I/U-puten ikke er over 5,08 eller 7,62/1000 cm.

Ved at man har den forste nivåmetalliseringen som har ledere som forløper i alt vesentlig i_ en horisontal retning og med den andre nivåmetalliseringen som har ledere som forløper stort sett i en vertikal retning, gjør det lett å anvende datamaskindesign for å konstruere den indre ledningsføringen for makro'ene, og led-ningsføringen for sammenkobling av makro'ene. Metalliseringen dannes slik at hver makro har 12 første metall- og 16 andre metalledningsforingskanaler. Man-v.il bemerke at for hver av makro' ene, er intra-makroledningsføringen meget tett styrt i midten av makro<1>en for således å gjøre størst mulig rommet som kan anvendes for inter-makroledningsføring.. Ved studering av skiven, vil man se at ca. 50% av rommet på skiven kan anvendes for inter-makroledningsf øri ng .

Fra det foregående vil man se at det er blitt tilveiebragt en L.S.I.-skivekonstruksjon øg fremgangsmåte for fremstilling av denne, som har mange fordeler. De store emitterfølgétransistorene er tilveiebragt på periferien av skiven. Åpne trådkanaler anvendes for .lett "computer aided design" plassering av intra-makro-tråder med tett manuell plassering av intra-makrotrådene. Dette er blitt muliggjort ved det faktum at det er begrensede posisjoner og antall I/U-porter.. Hver makro korresponderer med en "small integration; level" skive, og åv den grunn korresponderer det begrensede antall av 13 I/U-porter med antallet av ledere som anvendes i konvensjonelle; doble "in-line " pakker, som anvendes i "small scale integratløn". Forskjellige transistorstørrelser er blitt tilveiebragt avhengig av funksjonen av transistoren. Således tjener de store transistorene som emitterfølgere for

å drive transmisjonslinjer med høy effekt, mens de små transistorene er dannet slik at de har hoy hastighet og stabilitet, hoy seriemotstand (r.^) og lav kollektorkapasitans (ecC) • Dette tjener til en meget stabil anordning med kun et meget lite kompromiss i hastigheten av alle transistorene.

Emitterkoblet logisk krets er blitt anvendt for stromsvitsjkrets-ene fordi den er hurtig, enkel og stabil. Det er også mulig å lage slike svitsjekretser med et minimumsantall av komponenter. Således vil man se at den emitterkoblede logiske kretsen som anvendes, er meget allsidig og spesielt tilpassbar for L.S.I.-skive-konstruks^onen som er tilveiebragt her. En enkel spenningsreferansegenereringskrets er. tilveiebragt. For å minske kraft-' tilforself orbindelsene ■ til' skiven, bringes det kun en krafttil-førsel- på - 5,2V inn. Referansespenningen som kreves av kretsen som anvendes, genereres internt ved hjelp av en spenningsgene-reringskrets på hver makro . Denne referansegenereringskretsen som beskrevet forut, er i form av to transistorer og tre motstander som anvendes for å gi en spenningsfallende krets for å oppnå en halvregulerende - 1,3V tilførsel for referansespenningen. M.h.t. effektfordelingen på skiven, er forholdet av I/U-puter av jord. i forhold til Veemellom 3:1 og 4:1 for å bevare 3:1 i forhold til 4:1 forholdet av motstand og induktans for ^ eQ og jor-dingsfordelingssystemet. Kraftskinnen tilveiebringes på to lag.. Hele kraftfordeiingssystemet er relativt enkelt selv om det er tilveiebragt på to lag på grunn av sin orthogonalitet. Halvlederlegemet av L.S.I.-skiven anvendes ikke for kraftdistribusjon.

Under operasjon av skiven, vil det være til stede effektforbruk fra anordningene som vil ha en tendens til å øke temperaturen av skiven. Etter som temperaturen oker, trekker emitter-følger-diodekarakteristikken seg inn, dvs. utgangssignalnivåene for-skyver seg positivt. Hvis skiven forbruker effekt,vil høye strøm-mer trekkes fra krafttilførselen. Kraftstrømtilførselen kommer fra jord. Hvis det finnes motstand i jordforbindelsen til skiven, vil den strømmen gjennom den motstanden gi en spenningsforskyvning

som er en negativ spenningsforskyvning. Ved omhyggelig konstruksjon av skiven "folger" spenningsfallet (på grunn av motstand og induktans i lederne) på jordingsdistribusjonssystemet med spenningsfallet på'Vee-distribusjonssystemet. I tillegg lages jordforskyvningen i spenning for å "folge" med skiven-temperaturen. Således kan forskyvningen på grunn av temperatur og forskyvningen på grunn av motstand i jord. balanseres ut ved om hyggelig konstruksjon av skiven i forbindelse med pakken. Dette oppnås som beskrevet forut ved bruken av et skjermmønster som er forbundet med jord, som er av relativt hoy motstand. Man har funnet at med den foreliggende L.S.I.-skivekonstruksjon, oppnås det ytterligere krafttilførselavkobling fra innebygget kapasitans som fås hovedsaklig fra to kilder. En er kollektor til substrat PN-overgangerie av emitterfølgerne som er anordnet i skiven. I det tilfellet hvor det er visse emitterfølgere av L.S.I.-skiven som ikke anvendes i visse log3 iske kretser,. kobles V cc-terminalene av slike emitterfolgere til jord for å forøke verdien av avkoblingskapasitansen. Denne overgang som gir avkoblingskapasi-tansén, representeres av en mørk, brutt linje 98, som er vist i fig. 3L. En annen hovedkilde for avkoblingskapasitansen gis av PN-overgangene, som danner i solasjonslommene for motstandene. Disse isolasjonslommene dekker relativt store arealer. F.eks. er en typisk isolasjonslomme det arealet som er omgitt av den brutte linjen 99, som er vist i fig. 6. Som vist i fig. 6, er dette store arealet tilegnet motstander.

Denne innebyggede krafttilforselsavkoblingskapasitans er viktig fordi.den hindrer høyfrekvensavvik på krafttilførselen som anvendes i skiven.

Det er klart fra det foregående at det er blitt tilveiebragt en ny og forbedret L.S.I.-skivekonstruksjon og en fremgangsmåte for frem-, stilling av denne, som har mange fordeler. Det er mulig å oppnå . meget høy ytelse. Tidsforsinkelsen i kretsene og skiven er mindre enn 2 nanosekunder. Selv om et stort antall av logiske kretser kan tilveiebringes som anvender forskjellige sammenkoblingsmønster, kreves det kun et enkelt sett av felles diffusjonsmasker. Arrange-mentet av anordningene på L.S.I.-skiven er slik at de gjor anvendelsen av rommet på skiven størst mulig mens det tilveiebringes tilstrekkelig rom for intra- og interskiveledningsføring. Kon-struksjonen av skiven er slik at det finnes en innebygget kraft-r tilførselsavkoblingskapasitans. I tillegg følger jordforskyvningen i spenning med skivetemperaturen. Således kan forskyv-ninger på grunn av temperatur-forandringer og motstandsforand-ringer i jord balanseres ut.

Claims (14)

1. L.S.I.-skivekonstruksjon omfattende et halvlederlegeme (26) som har en plan overflate (27), midler (47) som danner isolerte regioner i halvlederlegemet, et flertall transistorer (T1-T6) dannet i halvlederlegemet og som har kollektor, basis og emitter- .regioner bestemt av PN overganger som strekker seg til overflaten, et flertall motstander (R1-R5) som er dannet i halvlederlegemet i et forutbestemt mønster i en isolert region og også har kontaktarealer som strekker seg til overflaten og midler tilveiebragt på overflaten og innbefattende to metalliseringslag (81 og 91), karakterisert ved at det ene tilveiebringer et spenningsfordelingssystem og det andre til-veiebrin <g> er et jordfordelingssystem og er koblet til transis torene og -motstandene, hvor nevnte to metalliseringslag er dannet således at spenningsfallet på jordfordelingssystemet stort sett følger spenningsfallet på spenningsfordelingssystemet.

2. Konstruksjon som angitt i krav 1, karakterisert ved at skiven er således konstruert at forskyvingen i spenningsfall på jordfordelingssystemet stort sett korresponderer med temperaturtorskyvningen i halvlederlegemet.

3. Konstruksjøn som angitt i krav 1, karakterisert ved at det er. tilveiebragt en innebygget avkoblings-kapasitans for avkobling av en ytre krafttilførsel.

4. Konstruksjon som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte avkoblingskapasitans dannes av kollektoren til halvlederlegemets overganger av i det minste visse av transistorene.

5. Konstruksjon som angitt i krav 4, karakterisert v e d at nevnte isolerte regioner er dannet av PN overganger og. at avkoblings-kapasitansen også er dannet av PN overgangene som bestemmer den isolert regionen.

6. Fremgangsmåte for dannelse av et flertall L.S.I. skiver som angitt kravene 1- 5, karakterisert ved at L.S.I. skivene inneholder forskjellige logiske kretser ved at det tilveiebringes er flertall halvlederlegemer. som har plane overflater, at det dannes diffuserte regioner i halvlederlegemene ved anvendelse av felles diffusjonsmasker og at det dannes forste og andre metalliseringslag på nevnte overflater av nevnte legemer for utproving av makro1 ene ved anvendelse av forskjellige masker for hvert av nevnte metalliseringslag og for hvert av halvlederlegemene.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at metalliseringsmonstrene endres ved anvendelse av forskjellige masker for å tilveiebringe forskjellige kretser.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert , ved at to metallmasker og en viamaske anvendes for å frembringe de to metalliseringslagené og. sammenkoblings-monsteret.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at inntil ti felles diffusjonsmasker anvendes.

10. - Framgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at transistorene og motstandene dannes i grupper for å tilveiebringe makro'er.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at makro1 ene anordnes i en rekke på halvlederlegemet.

12 . Fremgangsmåte som angitt i krav 11 , karakterisert ved at rekken består av makro'er anordnet 5x5 på halvlederlegemet. i

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakteri-: sert ved at metalliseringen dannes slik at hver makro har 12 første metall- og 16 andre metall-ledningsføringskanaler.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakteri sert ved at hver makro er forsynt med rom i midten for dannelse av intermakroforbindelser.