АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ БАЗОВЫЙ МАТРИЧНЫЙ КРИСТАЛЛ Российский патент 1995 года по МПК H01L27/04 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании аналого-цифровых полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) для радиотехнической, телевизионной и измерительной электронной аппаратуры.

Известен базовый матричный кристалл (БМК) Б1451Н1-4, состоящий из базовых ячеек, внутри которых и между которыми находятся зоны для трассировки внутрисхемных соединений [1]
Недостатками этого БМК являются малая плотность компоновки элементов БМК и, следовательно, большая площадь кристалла, большая себестоимость и низкий процент выхода годных ИМС, низкие функциональные возможности БМК вследствие однотипности используемых компонентов, большая длина шин межсоединений, неоптимальные электрические параметры транзисторов и других элементов.

Наиболее близким к изобретению из известных аналого-цифровых БМК (АЦ БМК) является АЦ БМК XR-400, содержащий подложку, биполярные транзисторы, вентили интегральной инжекционной логики (ИИЛ), резисторы, образующие изолированные аналоговую и цифровую части, ячейки ввода и вывода, причем цифровая часть выполнена в виде прямоугольной матрицы ячеек, окруженных набором диффузионных перемычек, каждая из которых содержит вентили ИИЛ, расположенные в два ряда, области для размещения металлизированных контактных площадок по периферии кристалла, а также зоны для прокладки металлизированных шин межсоединений и размещения контактов к подложке [2] Размеры БМК-прототипа 2,8х2,8 мм², он содержит 38 контактных площадок, 140 резисторов с общей резистивностью 2,9 МОм, 104 n-p-n и 19 p-n-p транзисторов, включая 3 n-p-n транзистора повышенной мощности, 256 вентилей ИИЛ, а общее число элементов БМК составляет 751. Плотность компоновки БМК-прототипа составляет 94 элемента на квадратный миллиметр площади.

Недостатками БМК-прототипа являются ограниченные функциональные возможности вследствие малого количества компонентов, неоптимальные электрические параметры имеющихся в нем транзисторов и других элементов (неэффективный вентиль ИИЛ, отличающийся высокой мощностью потребления и большим временем переключения, и горизонтальные p-n-p транзисторы), а также невозможность применения методов автоматизированной разводки шин соединительной металлизации. Это затрудняет использование БМК при проектировании ИС для радиотехнической и телевизионной аппаратуры, где необходимы элементы с различными площадями, активные элементы с низкими шумами и широким диапазоном рабочих токов, большое число резисторов разных типономиналов с большой общей резистивностью, конденсаторы и полевые транзисторы.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей АЦ БМК при увеличении количества элементов БМК, оптимизации их электрических параметров (эффективный вентиль ИИЛ (вентиль веpтикальной инжекционной логики) вертикальный p-n-p транзистор), возможности применения методов автоматизированной разводки шин соединительной металлизации с размещением элементов в ортогональной сетке.

Для этого в АЦ БМК, содержащий подложку, биполярные транзисторы, вентили ИИЛ, резисторы, образующие изолированные аналоговую, цифровую части, ячейки ввода и вывода, причем цифровая часть выполнена в виде прямоугольной матрицы ячеек, содержащих вентили ИИЛ, расположенные в два ряда, каждая из которых окружена набором диффузионных перемычек, области для размещения металлизированных контактных площадок по периферии кристалла, а также зоны для прокладки металлизированных шин межсоединений и размещения контактов к подложке, дополнительно введены конденсаторы и p-канальные полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода, аналоговая часть выполнена в виде матрицы ячеек, образующих ряды, которые расположены симметрично относительно продольной оси симметрии кристалла, причем каждая ячейка окружена набором резисторов, объединеных в резистивную область n-типа с контактами к области, а между контактными площадками, окружающими с трех сторон аналоговую часть АЦ БМК, за каждой из которых размещен p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n перехода, симметрично относительно продольной оси симметрии кристалла, расположены n-p-n транзисторы, p-n-p транзисторы и конденсаторы, ячейки ввода и вывода расположены симметрично относительно продольной оси кристалла вокруг трех сторон цифровой части АЦ БМК и выполнены в виде набора биполярных транзисторов, пинч-резисторов, резисторов и p-канальных полевых транзисторов с затвором в виде p-n перехода, причем n-p-n транзисторы и пинч-резисторы в этих ячейках расположены между контактными площадками, за каждой из которых размещен p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n перехода, а p-n-p транзисторы, p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n перехода и резисторы размещены между цифровой частью АЦ БМК и областью контактных площадок, при этом все резисторы ячеек ввода/вывода объединены в одну общую резистивную область n-типа с контактами к области.

Для применения методов автоматизированной разводки металлизированных шин целесообразно контактные окна всех элементов АЦ БМК расположить в узлах ортогональной сетки с возможностью размещения металлизированных шин как между, так и по контактным окнам по линиям этой сетки.

Технический результат изобретения достигается наиболее полно, если ячейку аналоговой части выполнить в виде прямоугольной матрицы из биполярных транзисторов с возможностью размещения между контактными окнами к активным областям транзисторов металлизированных шин.

В предлагаемом АЦ БМК n-p-n транзистор содержит изолированную область n-типа прямоугольной формы с расположенной внутри ее прямоугольной концентрической областью контактирования к коллектору n+-типа, контакты к которой располагаются в концентрической контактной области коллектора, причем внутри области коллекторных контактов расположена прямоугольная область базы p-типа с двумя контактами, в центре которой сформирована прямоугольная область эмиттера n+-типа с контактом, с возможностью размещения между контактами к коллектору и контактами к базе и эмиттеру металлизированных шин, p-n-p транзистор содержит изолированную область n-типа прямоугольной формы с расположенной внутри ее прямоугольной концентрической областью коллектора p-типа, контакты к которому расположены в концентрической области контакта к коллектору, внутри которой расположена область базы n-типа со сформированными в ней прямоугольным эмиттером p-типа и двумя областями n+-типа контактов к базе, расположенными по бокам области эмиттера, с возможностью размещения между контактами к коллектору и контактами к базе и эмиттеру металлизированных шин, p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n перехода содержит изолированную область n-типа, в которой сформирована область p-типа, перекрытая затвором n-типа, с возможностью размещения между контактами к области p-типа и затвору металлизированных шин, резисторы, диффузионные перемычки и пинч-резисторы выполнены с возможностью размещения между контактными окнами этих элементов металлизированных шин соединительной металлизации, интегральный конденсатор содержит изолированную область n-типа прямоугольной формы с контактами к ней, причем эта область является нижней обкладкой конденсатора, верхней обкладкой которого служит слой металла.

Кроме того, вентиль ИИЛ содержит изолированную область n-типа с расположенной под ней прямоугольной областью инжектора p+-типа, контакт к которому выполнен областью p+-типа, а также прямоугольную область базы p-типа, в которой сформированы прямоугольные коллекторные области n-типа с контактами, при этом контакт к базе располагается между двумя контактами к коллекторам или на краю базовой области.

Предлагаемая конструкция АЦ БМК, как показали испытания, позволяет увеличить процент выхода годных ИМС, снизить их себестоимость, увеличить плотность компоновки элементов БМК, оптимизировать их по требуемым параметрам и одновременно обеспечить бесконфликтную трассировку межсоединений, применить автоматизированные методы трассировки и расширить функциональные возможности БМК при проектировании ИС для радиотехнической, телевизионной и измерительной электронной аппаратуры.

На фиг.1 представлена топология АЦ БМК для проектирования аналого-цифровых ИМС; на фиг.2 ячейка аналоговой части АЦ БМК; на фиг.3 ячейка цифровой части АЦ БМК; на фиг.4 ячейка ввода/вывода АЦ БМК; на фиг.5 транзисторы АЦ БМК; на фиг.6 вентиль ИИЛ.

АЦ БМК содержит аналоговую часть 1, ячейки 2 аналоговой части, цифровую часть 3, ячейки 4 цифровой части, ячейки 5 ввода/вывода, металлизированные контактные площадки 6, биполярные транзисторы 7, конденсаторы 8, p-канальные полевые транзисторы 9 с затвором в виде p-n перехода, резисторы 10, диффузионные перемычки 11, зону 12 для размещения контактов к подложке.

Ячейка 2 аналоговой части АЦ БМК (фиг.2) содержит n-p-n и p-n-p транзисторы 13 и 14 соответственно с обозначенной совокупностью разрешенных для прохода шин соединительной металлизации, представляющих собой ортогональную сетку 15.

Ячейка 4 цифровой части АЦ БМК (фиг.3) содержит вентили ИИЛ 16.

Ячейка 5 ввода/вывода АЦ БМК (фиг.4) содержит n-p-n и p-n-p транзисторы 17 и 18 соответственно p-канальные полевые транзисторы 19, пинч-резисторы 20 и резисторы 21.

n-p-n транзистор 13 содержит изолированную область 22 n-типа, область 23 контактирования к коллектору, область 24 базы и область 25 эмиттера, с указанными возможными вариантами прохождения шин соединительной металлизации (показаны штриховкой на фиг.5).

p-n-p транзистор 14 содержит изолированную область 26 n-типа, область 27 коллектора, область 28 базы с двумя областями 29 контактов к базе и область 30 эмиттера с указанными возможными вариантами прохождения шин соединительной металлизации (показаны штриховкой на фиг.5).

Вентиль ИИЛ, содержит изолированную область 31 n-типа, область 32 инжектора, область 33 контакта к инжектору, область 34 базы и области 35 коллектора (фиг.6).

Предлагаемый АЦ БМК имеет площадь 3,8х3,1 мм², содержит 32 контактных площадки, 650 резисторов с общей резистивностью 2,6 МОм, 4 конденсатора по 10 пФ каждый, 144 n-p-n и 94 p-n-p транзистора, включая 12 n-p-n и 8 p-n-p транзисторов повышенной мощности, 66 p-канальных полевых транзисторов с затвором в виде p-n перехода, 320 вентилей ИИЛ, а общее число элементов БМК составляет 1470. Плотность компоновки БМК составляет 125 элементов на квадратный миллиметр площади. Таким образом, предлагаемый АЦ БМК превосходит БМК-прототип по числу транзисторов почти в 2 раза, содержит в два раза больше элементов, а по плотности компоновки превосходит прототип на 25%
Предлагаемый АЦ БМК может быть изготовлен с использованием биполярной технологии.

Использование: в микроэлектронике для создания аналого-цифровых ИМС. Сущность изобретения: аналого-цифровой базовый матричный кристалл содержит подложку, биполярные транзисторы, вентили интегральной инжекционной логики, резисторы, образующие изолированные аналоговую и цифровую части, ячейки ввода и вывода, а также конденсаторы и p-канальные полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода. Аналоговая часть выполнена в виде матрицы ячеек, которые расположены симметрично относительно продольной оси кристалла, вдоль его короткой стороны, причем каждая ячейка окружена набором резисторов. Между контактными площадками расположены биполярные транзисторы и конденсаторы. Ячейки ввода и вывода расположены симметрично относительно продольной оси кристалла вокруг трех сторон цифровой части. Биполярные транзисторы и пинч-резисторы в этих ячейках расположены между контактными площадками, за каждой из которых размещен полевой транзистор, а p-n-p-транзисторы, полевой транзистор и резисторы размещены между цифровой частью и областью контактных площадок. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ БАЗОВЫЙ МАТРИЧНЫЙ КРИСТАЛЛ, содержащий подложку, биполярные транзисторы, вентили интегральной инжекционной логики, резисторы, образующие изолированные аналоговую, цифровую части, ячейки ввода и вывода, причем цифровая часть выполнена в виде прямоугольной матрицы ячеек, содержащих вентили интегральной инжекционной логики, расположенные в два ряда, каждая из которых окружена набором диффузионных перемычек, области для размещения металлизированных контактных площадок по периферии кристалла, а также зоны для прокладки металлизированных шин межсоединений и размещения контактов к подложке, отличающийся тем, что в кристалл дополнительно введены конденсаторы и p-канальные полевые транзисторы с затвором в виде p-n-перехода, аналоговая часть выполнена в виде матрицы ячеек, образующих ряды, которые расположены симметрично относительно продольной оси симметрии кристалла вдоль его короткой стороны, причем каждая ячейка окружена набором резисторов, объединенных в одну резистивную область n-типа с контактами к области, а между контактными площадками, окружающими с трех сторон аналоговую часть, за каждой из которой размещен p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода, симметрично относительно продольной оси симметрии кристалла, расположены n-p-n-транзисторы, p-n-p-транзисторы и конденсаторы, ячейки ввода и вывода расположены симметрично относительно продольной оси кристалла вокруг трех сторон цифровой части и выполнены в виде набора биполярных транзисторов, пинч-резисторов, резисторов и p-канальных полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода, причем n-p-n-транзисторы и пинч-резисторы в этих ячейках расположены между контактными площадками, за каждой из которых размещен p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода, а p-n-p-транзисторы, p-канальный полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода и резисторы размещены между цифровой частью и областью контактных площадок, при этом все резисторы ячеек ввода-вывода объединены в одну общую резистивную область n-типа с контактами к области. 2. Кристалл по п.1, отличающийся тем, что контактные окна всех элементов матричного кристалла расположены в узлах ортогональной сетки с возможностью размещения металлизированных шин как между, так и по контактным окнам по линиям этой сетки. 3. Кристалл по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ячейка аналоговой части выполнена в виде прямоугольной матрицы из биполярных транзисторов с возможностью размещения между контактными окнами к активным областям транзисторов металлизированных шин.