Wybrane technologie i konstrukcje scalone

Przeniesienie dyskretnych elementów schematu elektrycznego do realnej struktury układu scalonego nie jest idealne, tzn. punktom zaciskowym i liniom ekwipotencjalnym odpowiadają obszary o określonych właściwościach fizycznych (skończonej przewodności), a poszczególne elementy lub ich obszary składowe mogą wchodzić w interakcje pomimo stosowanych izolacji. Oznacza to wprowadzenie do układu elementów pasożytniczych zmieniających funkcjonowanie układu w stosunku do pierwotnego schematu.

W procesie projektowania, na etapie weryfikacji projektu, identyfikuje się te elementy pasożytnicze za pomocą ekstraktora, który odtwarza bardziej realny schemat elektryczny z topografii układu.
Ściśle rzecz biorąc do tych elementów należą rezystancje obszarów quasi-neutralnych wraz z rezystancjami kontaktów elektrycznych, pojemności zakładek i złącza źródło/dren-podłoże w tranzystorze MOS. Tutaj nie będą one omawiane, ponieważ traktowane są jako składniki modeli tranzystorów. 

W technologii bipolarnej z każdą wyspą izolowaną złączowo wiążą się elementy pasożytnicze. Najpoważniejsze skutki elektryczne może powodować pasożytniczy tranzystor podłożowy pnp: złącze utworzone przez obszar dyfuzji bazowej p i wyspę n stanowi złącze emiterowe tranzystora pasożytniczego, a podłoże układu – kolektor (rys. 1.1 i 1.3). W przypadku, kiedy to złącze spolaryzowane jest zaporowo, tranzystor pasożytniczy jest zatkany i jego wpływ sprowadza się do działania zaporowo spolaryzowanych diod:

 
Rys. 2.1 Pasożytniczy tranzystor podłożowy pnp

Upływności do podłoża odpowiadają wówczas tylko prądowi wstecznemu złącza wyspa-podłoże, a dla sygnału zmiennego pojemności pasożytniczej C_CS.
Praca tranzystora npn w zakresie nasycenia lub inwersji oznacza polaryzację złącza wyspa-podłoże w kierunku przewodzenia (U_CB<0) i uaktywnienie tranzystora pasożytniczego. W takim przypadku do podłoża może płynąć znaczny prąd, chociaż współczynnik wzmocnienia tego tranzystora b_F jest niewielki. O małej wartości współczynnika b_F decyduje względnie małe zróżnicowanie poziomów koncentracji domieszek złącza emiterowego tranzystora pasożytniczego (mała sprawność wstrzykiwania), jego długa baza (wyspa) i hamujące pole elektryczne związane ze wzrostem koncentracji domieszek w warstwie zagrzebanej (mała sprawność transportu). Minimalizacja wpływu tego tranzystora jest szczególnie ważna w przypadku wykonania w wyspie tranzystora bocznego pnp, gdyż z wyjątkiem stanu zatkania tranzystora bocznego, tranzystor pasożytniczy jest zawsze aktywny.

W strukturze bipolarnego układu scalonego można również wyróżnić pasożytnicze tranzystory boczne:
-    pnp między obszarami p wykonanymi w jednej wyspie (np. rezystorami bazowymi),
-    npn między sąsiednimi wyspami w klasycznej izolacji złączowej,
lecz przy prawidłowej polaryzacji, są one zwykle zatkane.

Ten ostatni przypadek, jak również możliwość zaistnienia pasożytniczego tranzystora MOS gdy ścieżka metalizacji o wysokim potencjale dodatnim indukuje kanał inwersyjny w obszarze dyfuzji izolacji łączący sąsiednie wyspy, są skutecznie wyeliminowane w technologii LOCOS.

W technologii MOS pasożytniczy tranzystor unipolarny istnieje teoretycznie pomiędzy sąsiadującymi tranzystorami, gdy nad takim obszarem przebiega ścieżka przewodząca (metalizacji lub polikrzemowa). Możliwości indukowania kanału w takim tranzystorze skutecznie zapobiega wykonanie stoperów i grubego tlenku polowego podwyższające napięcie progowe w tym obszarze.

W technologii CMOS mnogość wzajemnych konfiguracji obszarów p i n tworzy elementy bipolarne, które w specyficznych warunkach polaryzacji mogą być źródłem efektów pasożytniczych:

 
Rys. 2.2 Pasożytnicze tranzystory w technologii CMOS z wyspą typu n

W przypadku braku napięcia na bramce indukującego kanał i równocześnie polaryzacji przewodzenia źródła/drenu względem podłoża/wyspy, może nastąpić wprowadzenie w stan aktywny tranzystora pnp lub npn utworzonych przez strukturę źródło-podłoże-dren tranzystorów MOS. Przepływ prądu przez taki bipolarny tranzystor pasożytniczy może rozładować komórkę układu dynamicznego także w układach NMOS (rys. Rdynram).

Poważniejsze konsekwencje może mieć wpływ pasożytniczego tyrystora (zasada działania tyrystora – materiał uzupełniający: Ltyr) utworzonego przez obszary źródła/drenu sąsiadujących tranzystorów i złącze wyspa-podłoże położone między nimi jak na rys. 2.2  (schemat elektryczny – rys. Rschtyr). Włączenie tyrystora (latch up) powoduje przepływ destrukcyjnego prądu w układzie (rys. Rchartyr), co jest niedopuszczalne. 
W celu uniknięcia tego efektu można wykonać pierścienie zabezpieczające wokół wysp: zarówno wewnątrz wyspy jak i ewentualnie na zewnątrz wyspy w podłożu. Są to dodatkowe obszary silniej domieszkowane niż wyspa lub podłoże (wykonywane zwykle równocześnie z domieszkowaniem źródeł i drenów) zaznaczone w przekroju struktury na rys. 2.2. Utrzymanie na potencjale masy pierścienia p, a na potencjale źródła zasilania – pierścienia n, zapobiega spolaryzowaniu złącza wyspa-podłoże w kierunku przewodzenia i włączeniu tyrystora. Dla uniknięcia lokalnych fluktuacji potencjału na skutek spadku napięcia na rezystancjach pierścieni, wykonuje się na ich długości liczne okna kontaktowe i połączenia ze ścieżką metalizacji.

Podobne pierścienie zabezpieczające stosuje się też wokół całych fragmentów układu dla osłabienia sprzężeń przez podłoże. Dotyczy to zwłaszcza zaburzeń generowanych przez impulsy w blokach cyfrowych, przenoszonych w postaci spadków napięcia na rezystancji podłoża do bloków analogowych.

W tym miejscu warto wspomnieć o zabezpieczeniach wejść układów MOS, przed dużymi ładunkami z zewnątrz, chociaż nie są to zburzenia o charakterze pasożytniczym. Pomiędzy pola montażowe (dla wyprowadzeń zewnętrznych) – tzw. pady, a wejścia logiczne układu wprowadza się elementy zwierające sygnał o zbyt dużej wartości (amplitudzie) do masy lub zasilania w zależności od kierunku polaryzacji (znaku ładunku elektrycznego):

 
Rys. 2.3 Przykładowe zabezpieczenie wejść układu CMOS

Diody na wejściu układu mają tak dobrane napięcia przebicia, aby nie dopuścić do wejść na bramki tranzystorów zbyt dużych sygnałów, które mogłyby spowodować przebicie tlenku bramkowego.
 
Wspólnym problemem w układach bipolarnych i MOS są efekty pasożytnicze związane z połączeniami wewnątrzukładowymi. W wyniku wzrostu złożoności układów i ich wielkości oraz postępującej miniaturyzacji (skalowania) poszczególnych warstw i obszarów, długie ścieżki połączeń o względnie dużej grubości sąsiadują w niewielkiej odległości, co jest przyczyną znacznych sprzężeń pojemnościowych. Sprzężenia pojemnościowe występują też między tymi ścieżkami a podłożem krzemowym oraz pomiędzy ścieżkami krzyżującymi się na różnych poziomach metalizacji. Analiza wynikających stąd opóźnień sygnału i przesłuchów między ścieżkami wymaga analizy linii RC lub dla bardzo dużych częstotliwości RLC i nie będzie tu omawiana.