Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19800327Elc043.shtml

Простая технология изготовления биполярных ППЗУ емкостью 16К и выше

УДК 681.327.28

Роберт Уоллес (Robert К Wallace)
Фирма Intel Corp. (Санта-Клара, шт. Калифорния)

Артур Лерн (Arthur J. Learn)
Фирма Intel Corp. (Санта-Клара, шт. Калифорния)

Robert К Wallace, Arthur J. Learn. Simple process propels bipolar PROMs to 16-K density and beyond, pp.147—150.

Описаны технология изготовления и конструкция чрезвычайно компактного элемента программируемых ПЗУ, открывающие перспективы создания быстродействующих приборов данного класса емкостью 16К и выше. Технология предусматривает применение двухуровневой металлизации и поликремниевых плавких перемычек, обеспечивающих в совокупности высокую плотность упаковки, высокое быстродействие и однородность пережигающих токов по всей матрице памяти. С помощью новой технологии уже изготавливаются ППЗУ емкостью 4 и 16К с временами выборки 50 и 65 нс соответственно.

В настоящее время при изготовлении быстродействующих биполярных программируемых ПЗУ используются различные конструкции запоминающих элементов и методы их программирования. Элементы памяти выполняются в виде эмиттерных повторителей на npn- или pnp-транзисторах, диодах база — коллектор или диодах Шоттки, а программирование осуществляется с помощью пережигания нихромовых, титано-вольфрамовых или поликремниевых плавких перемычек или закорачивания обратно смещенных переходов алюминием.

Однако под давлением повышения уровня сложности ППЗУ, с одной стороны, и необходимости оптимизации технологии их изготовления — с другой, ведущей станет какая-то одна технология, обладающая наибольшей простотой и обеспечивающая наивысшую плотность упаковки. Похоже, что на эту роль вполне может претендовать технология биполярных ППЗУ с межуровневыми плавкими перемычками.

Для построения быстродействующих биполярных программируемых ПЗУ используются различные варианты конструкции запоминающих элементов и различные материа
Рис.1. Для построения быстродействующих биполярных программируемых ПЗУ используются различные варианты конструкции запоминающих элементов и различные материалы плавких перемычек. В настоящее время широко применяются элементы на основе транзисторов и диодов и плавкие перемычки из нихрома, титано-вольфрамового сплава и поликремния. Для биполярного ППЗУ с межуровневыми плавкими перемычками были выбраны диод база — эмиттер и поликремниевые плавкие перемычки.

Используемый в этой технологии в качестве элемента памяти диод эмиттер — база (рис.1) позволяет максимально использовать преимущества поликремния, из которого выполняется плавкая перемычка, — этот поликремний образует непосредственный контакт к эмиттерной области прибора. Подобный диод в матрице эмиттерных повторителей обладает и такими дополнительными преимуществами, как усиление по току, относительно высокая проводимость на единицу площади и самоизоляция от подложки. Применение же двух (а не одного) уровней металлизации обеспечивает высокое быстродействие, гарантируя одновременно высокую степень однородности токов пережигания перемычек для всех запоминающих элементов. Вместе с тем данная конструкция обеспечивает чистое и надежное прерывание цепи при. пережигании перемычки и способствует уменьшению размеров элемента в целом (см. табл.1).

Размеры элементов и схемных кристаллов ППЗУ для различных вариантов технологии

Тип элемента

Тип плавкой перемычки

Площадь элемента, мкм2

Размеры кристалла ППЗУ емкостью 4 К, мм

Эмиттерный повторитель

Поликремниевая

 840

3,0*3,0

Эмиттерный повторитель

Нихромовая или титано-вольфрамовая

1350

3,8*3,8

Диод Шоттки

1160

3,6*3,6

Диод база—коллектор

1160

3,6*3,6

В настоящее время по этой технологии изготавливаются приборы емкостью 4 и 16К. ППЗУ 3625А емкостью 4К имеет время выборки для наихудшего случая 50 нс; для ППЗУ 3636 емкостью 16К этот показатель равен 65 нс. По модернизированному варианту данной технологии с уменьшенными геометрическими размерами элементов недавно были изготовлены приборы емкостью 16К с типовыми временами выборки 25 нс (см. «Новое сверхбыстродействующее ППЗУ»).

Элемент памяти с межуровневой плавкой перемычкой показан на рис.2. Словарные линии в нем выполнены из металла нижнего уровня, разрядные — из металла верхнего уровня. Элемент имеет две основные особенности. Во-первых, его разрядная линия (металл верхнего уровня) непосредственно контактирует с соответствующим концом поликремниевой плавкой перемычки без использования обычного в таких случаях контакта между верхним и нижним уровнями металла.

На показанной микрофотографии (слева) и схеме (справа) видны четыре бита матрицы памяти на элементах с межуровневыми плавкими перемычками. Словарные л
Рис.2. На показанной микрофотографии (слева) и схеме (справа) видны четыре бита матрицы памяти на элементах с межуровневыми плавкими перемычками. Словарные линии в этой матрице выполнены из металла нижнего уровня, разрядные линии — из металла верхнего уровня. Исключение запасов на совмещение фотошаблонов позволило реализовать элемент с минимальными размерами — его площадь составляет всего 840 мкм2

Во-вторых, другой конец этой плавкой перемычки непосредственно контактирует с эмиттером эмиттерного повторителя. При таком подходе обычные запасы на совмещение масок при изготовлении контактов к кремнию и между слоями металлизации оказываются не нужными. В результате площадь такого запоминающего элемента составляет менее 840 мкм2, что на 30% меньше, чем для любой другой комбинации материала перемычки и конструкции элемента при таких же топологических проектных нормах.

Кроме того, каждый бит памяти имеет свой собственный контакт с разрядной и словарной линиями, что практически исключает влияние неоднородности расположения отдельных битов. Данная конструкция значительно превосходит в этом смысле другие конструкции элементов ППЗУ с двухуровневой металлизацией, в которых для получения достаточно малых размеров элемента памяти один контакт приходится на 8 или даже 16 элементов.

Особенности технологии

При формировании эмиттерных областей транзисторов посредством диффузии примеси через поликремний образуется структура, похожая на так называемый промытый эмиттер (рис.3). При этом не требуются никакие запасы на совмещение эмиттерного контакта, что позволяет получить самый компактный вариант геометрии элемента.

ППЗУ с межуровневыми плавками перемычками изготавливается по стандартной биполярной технологии ИС с диодами Шоттки и изоляцией переходами, так как эта
Рис.3. ППЗУ с межуровневыми плавками перемычками изготавливается по стандартной биполярной технологии ИС с диодами Шоттки и изоляцией переходами, так как эта технология давно и хорошо отработана. Диффузия примесей осуществляется непосредственно сквозь тонкие поликремниевые слои, что позволяет увеличить допуски на совмещение масок,

Использование поликремниевого эмиттера обеспечивает еще ряд дополнительных преимуществ. Поскольку поликремний предохраняет эпитаксиальную пленку кремния от растворения в металле, не нужны никакие меры защиты эмиттерного перехода от проплавления металлом (и, как следствие, короткого замыкания). Кроме того, невысокая концентрация донорной примеси у поверхности эпитаксиального кремния способствует уменьшению числа коротких замыканий между коллектором и эмиттером. Вероятно, благодаря невысокой поверхностной концентрации примеси в кремнии в транзисторе отсутствует и эффект вытеснения базы. Все эти обстоятельства способствуют упрощению технологии, повышению эффективности контроля и увеличению выхода годных.

Использование второго уровня металлизации вместо диффузионных проводников гарантирует надежную подачу тока к плавким перемычкам даже в очень больших кристаллах памяти. Это позволяет также уменьшить площади эмиттера и коллектора, значительно снижая тем самым вероятность утечек или коротких замыканий между ними. В результате дополнительно возрастает выход годных.

Сама по себе двухуровневая металлизация также увеличивает плотность упаковки, что еще более повышает выход годных. Такая металлизация обеспечивает отличное пережигание перемычек в самых удаленных областях кристалла, о чем свидетельствует показанный на рис.4 пример. Широкий зазор, не содержащий даже следов материала перемычки, и полное отсутствие явлений самовосстановления для кремниевых перемычек гарантируют отличную надежность приборов.


Рис.4. В технологии ППЗУ с межуровневыми поликрем-нйевыми плавкими перемычками обеспечивается однородность пережигающего тока даже для наиболее удаленных элементов. Как сверху (слева), так и сбоку (справа) хорошо виден широкий зазор, не содержащий материала перемычки, Кроме того, поликремниевые плавкие перемычки не подвержены явлению самовосстановления.

При использовании двухуровневой металлизации обеспечить высокую технологичность и надежность БИС можно, только тщательно выбирая материалы и технологические методы. Металлизация на основе алюминиевых сплавов показала свою устойчивость к факторам, снижающим надежность (например, к электромиграции) и ухудшающим выход годных (например, к перестройке поверхности при нагреве). Последнее особенно важно с точки зрения создания изолирующих слоев между двумя уровнями металлизации, не содержащих сквозных отверстий.

При наличии эффекта перестройки поверхности (рост неррвностей) будут возникать проблемы получения однородного и сплошного межуровневого слоя диэлектрика или фоторезистивного покрытия (в последнем случае возможно травление диэлектрика в непредусмотренных местах), Плазменное осаждение диэлектрика позволяет до некоторой степени решить проблему покрытия неровностей и получить поверхность, более пригодную для осаждения второго слоя металлизации. Этот метод позволяет получить более прочную межуровневую изоляцию в структуре.

Методы плазменного травления полезны также и с точки зрения получения более плавных краен у сквозных контактных отверстий в слое межуровневого диэлектрика. Это в свою очередь улучшает покрытие поверхности кристалла вторым слоем металлизации и уменьшает проходные сопротивления контактных отверстий. Примеры структуры двухуровневой металлизации и увелгченное изображение контактного отверстия в слое диэлектрика показаны на рис.5.


Рис.5. Высокая плотность упаковки и быстродействие, а также однородность пережигающих токов для всех элементов обеспечиваются в приборах с межуровневыми плавкими перемычками прежде всего благодаря применению двухуровневой металлизации. На виде сбоку (слева), показано равномерное покрытие поверхности кристалла вторым уровнем металлизации. Справа показано сквозное соединительное отверстие между двумя слоями металлизации.

Применение двухуровневой металлизации и поликремниевых межуровневых плавких перемычек в ППЗУ 3625А емкостью 4К позволило фирме Irtel резко повысить выход годных и уменьшить время выборки в наихудшем случае на 30% — с 70 до 50 нс. Это ППЗУ организовано в 1024 4-бит слова и смонтировано в 18-контактном двухрядном корпусе, а плотность его упаковки составляет 840 мкм2/бит при площади кристалла 9 мм2.

Потенциальные возможности поликремниевых плавких перемычек в части дальнейшего повышения плотности упаковки были продемонстрированы на примере прибора 3636 фирмы Intel, представляющего собой быстродействующее ППЗУ емкостью 16К. Для перехода от 4 к 16К не потребовалось никаких изменений в технологии. В приборе 3636 применен такой же запоминающий элемент, что и в приборе 3625А, однако площадь его кристалла составляет 24,5 мм2, а время выборки в наихудшем случае в диапазоне температур от 0 до 75°С и при напряжении питания 5,0 В±10% равно 65 нс.

Этот прибор имеет организацию 2К*8 бит и смонтирован в 24-контактном двухрядном корпусе для обеспечения его совместимости с существующими ППЗУ емкостью 4К (512*8) и 8К (1024*8). Несмотря на более высокую информационную емкость, полная потребляемая им мощность не отличается от мощности, потребляемой прежними ППЗУ емкостью 4 и 8К.

Перспективы применения

Новый запоминающий элемент с поликремниевой плавкой перемычкой к настоящему моменту успешно использован в конструкциях ППЗУ емкостью от 1 до 16К. На рис.6 показана эволюция площади запоминающих элементов ППЗУ по мере роста емкости этих приборов от 1 до 16К и далее; емкость кристаллов памяти в этот период удваивалась примерно каждые два года. Применение более прецизионной фотолитографии и методов сухого травления позволит, возможно, даже ускорить эти темпы. Технология элементов с поликремниевыми перемычками, вероятно, будет успешно применяться для производства ППЗУ емкостью вплоть до 64К.

Технология межуровневых поликремниевых плавких перемычек успешно использовалась для изготовления ППЗУ емкостью от 1 до 16К. Информационная емкость кри
Рис.6, Технология межуровневых поликремниевых плавких перемычек успешно использовалась для изготовления ППЗУ емкостью от 1 до 16К. Информационная емкость кристаллов удваивалась примерно каждые два года, а сейчас применение более прецизионной литографии и сухого травления смогут даже еще ускорить эти темпы роста.

Дочерние статьи:

Новое сверхбыстродействующее ППЗУ

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 53, No.07 (585), 1980г - пер. с англ. М.: Мир, 1980, стр.63

Electronics Vol.53 No.07 March 27, 1980 A McGraw-Hill Publication

Robert К Wallace, Arthur J. Learn. Simple process propels bipolar PROMs to 16-K density and beyond, pp.147—150.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Запоминающие устройства





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19800327Elc043.shtml