Richi´s Lab

2"-Wafer - D220 - 2*4fach-NAND

50mm-Wafer - D220

Dieser 2"-Wafer enthält das 2*4-fach NAND-Gatter D220. Er stammt daher entweder aus dem Halbleiterwerk Frankfurt Oder oder aus Dresden (Arbeitsstelle für Molekularelektronik bzw. Arbeitsstelle für Molekularelektronik Dresden bzw. VEB Zentrum für Forschung und Technologie Mikroelektronik).

Die Kantenlänge der einzelnen Dies beträgt 1,20mm. Trotz der für heutige Verhältnisse kleinen Fläche des Wafers finden dort schon über 1000 Schaltkreise Platz. Nach Aussage eines damals in diesem Bereich tätigen Entwicklers lag die Ausbeute im ersten Produktionszyklus aber nur bei ungefähr 13% (1972, inklusive Backend). Auch im zweiten Produktionszyklus verblieb die Ausbeute deutlich unter 30%. Das händische Bonden hatte einen nicht unerheblichen Einfluss auf diese Zahlen.
Die Dicke des Wafers liegt im Bereich von 0,35mm.

 

50mm-Wafer - D220

50mm-Wafer - D220

Die Beschriftung an der unteren Kante lässt vermuten, dass es sich um ein bewusst ausgeschleustes Teil handelt. Entweder sollte damit die Qualität der Fertigungsprozesse überwacht werden oder es handelt sich um ein Ausschussteil.

 

50mm-Wafer - D220

In der Mitte des Wafers befinden sich fünf relativ große Strukturen.

Zwischen den Quadraten mit den gewünschten Schaltkreisen sind sechs Quadrate mit Teststrukturen platziert (rote Pfeile). Die Verteilung auf dem Wafer sorgt dafür, dass sich auch örtlich begrenzte Abweichungen der Fertigungsprozesse über die Eigenschaften der Teststrukturen bemerkbar machen. Die Teststrukturen werden üblicherweise nicht genutzt, um jeden Wafer zu prüfen. Sie ermöglichen es aber stichprobenartig die Qualität der Fertigungsprozesse zu überwachen. Außerdem vereinfachen die Teststrukturen die Fehlersuche, wenn die Ausbeute merklich zurück geht.

 

50mm-Wafer - D220 Detail

Der Abstand zwischen den einzelnen Dies beträgt 85µm. Dieser Bereich muss ausreichen, um die Dies später mit einem Diamantsägeblatt aus dem Wafer heraus zu sägen ohne die aktiven Bereiche zu beschädigen.
Die Kanten der Dies und die in den Sägestrecken teilweise angehäuften Verschmutzungen zeigen, dass die aktiven Bereiche minimal höher aufbauen. Wie beim Differenzverstärker IK72 beschrieben, ist einer der Prozessschritte das Aufbringen einer Epitaxialschicht. Innerhalb der Sägestrecken wurde diese Schicht anscheinend entfernt oder erst gar nicht aufgebracht.

Hier ist der mittige Bereich des Wafers abgebildet, der die großen Sonderstrukturen enthält. Mit dieser Vergrößerung ist bereis zu erkennen, dass die Metallisierungslage fehlt. Der Fertigungsprozess scheint ansonsten aber weit fortgeschritten gewesen zu sein.

Die drei großen Quadrate könnten eine Art große Ätzmarker darstellen, die es ermöglichen relativ einfach Ätzfortschritte zu überwachen. An den Kanten der Quadrate ist zu erkennen, dass es sich trotz der ähnlichen Optik nicht um drei gleiche Strukturen handelt. Das zweite Quadrat weist bereits eine zusätzliche Kante auf, während das dritte Quadrat einen rosa und einen blau dargestellten Rahmen besitzt. Die unterschiedlichen Strukturen untermauern die Annahme, dass es sich um Ätzmarker handelt.
Neben dem dritten Quadrat ist eine Art große Teststruktur abgebildet. In der mittleren Zeile ist ein Pfeil angedeutet, der wahrscheinlich die Ausrichtung des Wafers vereinfachen soll. Die Zeichenfolge "02 D220" weist bereits auf den Logikschaltkreis D220 hin. Die Zahlen 02 könnten für eine zweite Revision stehen.

 

50mm-Wafer - D220 Detail

Der D220 enthält zwei Vierfach-NAND-Gatter. Im obigen Schaltplan ist die Schaltung eines dieser Gatter dargestellten. Den Eingang bildet ein Transistor mir vier Emitter-Anschlüssen. Dioden zwischen den Eingängen und dem Massepotential schützen vor negativen Spannungen. Der auf die Eingangsstufe folgende Transistor stellt die Treiberstufe für den Push-Pull-Ausgang dar. In der Highside arbeitet dort ein Darlingtontransistor.

 

50mm-Wafer - D220 Teststruktur

Je nach Belichtung werden die unterschiedlichen Schichten in unterschiedlichen Farben dargestellt. Ein Vergleich zeigt, dass die hier grün erscheinenden Strukturen aus dem Material bestehen, das auch für die Basisbereiche verwendet wird. Wie zum Beispiel beim Differenzverstärker IK72 beschrieben, kann das Basismaterial genutzt werden, um Widerstände mit mittleren Widerstandswerten zu generieren.
Das blaue Quadrat stellt das Emittermaterial dar. Die abgebildeten Kanten zeigen, dass sich das Emittermaterial über dem Streifen des Basismaterials befindet. Wie beim BA222 beschrieben, stellt ein solcher Aufbau einen Pinch-Widerstand dar. Das invers dotierte Emittermaterial engt den Kanal des darunter liegenden Basismaterials ein und erhöht so dessen Widerstandswert. Insgesamt stehen so für Tests zwei Widerstände des Basismaterials und ein Pinch-Widerstand zur Verfügung.

Die weißen Quadrate zeigen deutliche Kanten, die darauf hinweisen, dass es sich um Vertiefungen handelt. Die Quadrate sind außerdem etwas kleiner als die darunter liegenden grünen Flächen. Man kann daraus folgern, dass es sich bei den weißen Bereichen um Aussparungen handelt, die in die oberste Siliziumoxid geätzt wurden. Über diese Durchbrüche kann im nächsten Schritt die Metalllage die aktiven Bereiche kontaktieren. Die freigelegte Schicht stellt sich nicht grün dar, da die Farben durch Resonanzen in den dünnen Schichten entstehen. Wird eine Schicht entfernt, so ändern sich die optischen Eigenschaften und der Bereich wechselt die Farbe.

 

 

50mm-Wafer - D220 Schaltkreis

50mm-Wafer - D220 Schaltkreis

Auf dem Die sind deutlich die zwei symmetrischen Blöcke des D220 zu erkennen. Durch die Anzahl der notwendigen Bondpads ergibt sich unter den Gattern relativ viel freier Raum.

Die quadratischen Flächen der Bondpads sind gut zu erkennen, da deren Untergrund anscheinend bearbeitet wurden. Vermutlich stellt der Rahmen eine pn-Grenzfläche dar, wie sie sich auch zwischen den aktiven Elementen befindet (siehe Darstellung innerhalb der Analyse des IK72). Für den D220 fehlt auf dem Die scheinbar ein Bondpad. Wie sich gleich noch zeigen wird, besitzt das Bondpad des Bezugspotentials keine Rahmenstruktur. Zwischen den Bondpads und dem Substrat befindet sich eine isolierende Siliziumoxidschicht, eine pn-Sperrschicht sollte daher eigentlich nicht notwendig sein. Entweder besteht bei den Bondpads eine erhöhte Gefahr von Kurzschlüssen oder man wollte über diese Konstruktion die parasitären Kapazitäten reduzieren.

Die Bondpads der Eingänge sind hier bereits durch ihre Schutzdioden erkennbar.

 

50mm-Wafer - D220 Schaltkreis Detail

In beiden Gattern kamen fünf unterschiedliche Transistoren zum Einsatz. In der Mitte der linken Spalte ist der klassische Transistoraufbau zu sehen. Die größte Durchkontaktierung legt die Kollektorfläche frei. Darüber ist die Basiszone eindiffundiert (rosa) und mit einer kleineren Durchkontaktierung versehen. In der Basiszone ist wiederum der Emitterbereich eindiffundiert (türkis), der eine rundliche Durchkontaktierung besitzt.
Über und unter dem gerade beschriebenen Transistor befindet sich jeweils ein weiterer Transistor. Der untere Transistor besitzt vier einzelne Emitter. Er stellt höchstwahrscheinlich den Eingangstransistor des Vierfach-NAND-Gatters dar. Der obere Transistor wurde mit einem relativ großen Emitter und zwei Kollektoranschlüssen aufgebaut. Besonders erwähnenswert ist die Basisfläche, von der aus ein Streifen bis über den eigentlichen aktiven Bereich hinaus verlängert wurde. Es handelt sich dabei um einen integrierten Pull-Down-Widerstand.

Auf der rechten Seite befinden sich zwei Transistoren in einem gemeinsamen Kollektorbereich. Dieser Aufbau stellt einen Darlington-Transistor, also höchstwahrscheinlich den Highside-Transistor des D220-Ausgangs dar. Passend zu einer Darlington-Verschaltung ist ein Transistor größer ausgeführt als der andere. An der Basis des kleinere Transistors sind zwei in Serie geschaltete Widerstände angeschlossen. Die Basis des größeren Transistors besitzt einen Pull-Down-Widerstand wie er auch auf der linken Seite integriert wurde. Die lange Zuleitung zum gemeinsamen Kollektor könnte ebenfalls als Widerstand eingeplant worden sein. Der Grund für diese verlängerte Zuleitung könnte allerdings auch die Kreuzung zweier Potentiale sein.

 

50mm-Wafer - D220 Schaltkreis Detail

Eine schräge Belichtung zeigt noch etwas deutlicher die unterschiedlichen Bereiche. Die blau erscheinende Emitter-Dotierung ist klar erkennbar. Ebenso setzt sich die Basis-Dotierung deutlich hellgrün ab. Die stark n-dotierten Bereiche, die die n-dotierte Epitaxialschicht kontaktieren, erscheinen im Bild rosa. Die Oberflächen der freigelegten Bereiche in der Siliziumoxidschicht, die ein späteres Kontaktieren über die Metalllage ermöglichen, sind grau dargestellt. Auch die Tiefe ist gut erkennbar.

Die Epitaxialschicht, die Isolationsdiffusion und die vergrabene, hoch n-dotierte Schicht lassen sich farblich nicht unterscheiden. Es sind allerdings relativ deutliche Kanten zu erkennen, die höchstwahrscheinlich mit diesen Bereichen korrelieren. Die Transistoren sind jeweils von einem Rahmen umgeben, der die Isolationsdiffusion darstellen muss. Unterhalb jedes Transistors befindet eine Erhebung, die vermutlich durch die vergrabene Schicht verursacht ist, die das Kollektorpotential niederohmig weiterleitet.

 

50mm-Wafer - D220 Teststruktur

50mm-Wafer - D220 Teststruktur

Die Dies mit den Teststrukturen tragen die Bezeichnung BTF-PM1. Darauf sind mehrere Widerstände und Transistoren integriert. Ganz links befindet sich ein sehr großer Widerstand, dargestellt durch das hier blau erscheinende Emittermaterial eingebettet im grün erscheinenden Basismaterial. Das hoch dotierte Emittermaterial ist relativ niederohmig und wird durch das Basismaterial vom Rest der Schaltung isoliert. Der breitere Widerstand, der nach rechts folgt ist ein Pinch-Resistor, bei dem das grüne Basismaterial den wirksamen Widerstand darstellt. Um den Widerstandswert zu erhöhen befindet sich darüber ein blauer Streifen des Emittermaterials, der durch seine inverse Dotierung den wirksamen Querschnitt verringert. Über eine Durchkontaktierung kann das Emittermaterial auf ein definiertes Potential gelegt werden. Rechts neben dem Pinch-Widerstand befindet sich noch einer der üblichen Widerstände des unbeeinflussten Basismaterials. Die dünne Schleife oberhalb der zwei Widerstände bindet anscheinend den aktiven Bereich an die Isolationsdiffusion an. In der rechten unteren Ecke sind weitere Strukturen integriert, die unter anderem für eine Vermessung der Epitaxialschicht und der vergrabenen Kollektorzuleitung geeignet sein könnten.

An der oberen Kante wurden die bereits bekannten Transistortypen inklusive einer Darlington-Struktur integriert. Oberhalb der Beschriftung befindet sich zusätzlich ein PNP-Transistor. Das hellgrüne Material, das in den NPN-Transistoren die Basis darstellt, wird hier als Kollektor- und Emittermaterial genutzt. Die n-dotierte Epitaxieschicht dient beim PNP-Transistor als Basismaterial.

 

 

D220

Der fertiggestellte D220 befindet sich in einem DIP14-Gehäuse. Dieses Teil wurde im Halbleiterwerk Frankfurt Oder hergestellt. N9 steht für eine Fertigung im September 1981. Das Dreieck mit der Zahl 1 stellt ein Gütezeichen dar. Teile der Güteklasse 1 entsprachen qualitativ den Teilen auf dem Weltmarkt.

 

D220 Die

Es zeigt sich, dass der untere Bereich des Dies tatsächlich keine relevanten Funktionen darstellt. Das bedeutet, dass die Größe des Dies wahrscheinlich durch die Anzahl der Bondpads und den Beschränkungen des Bondprozesses bestimmt wurde.

 

D220 Die Detail

Die Metalllage stellt sich großteils wie erwartet dar. Die Potentiale der vier Eingänge sind jeweils an ihre Schutzdiode angeschlossen und werden dann zum Eingangstransistor mit den vier Emittern geführt.

Das von oben zugeführte Massepotential kontaktiert das Substrat beziehungsweise die Barriereschicht an vier Stellen. Wie weiter oben zu sehen war befindet sich oberhalb und unterhalb jedes Gatters eine kleine Durchkontaktierung, die dafür genutzt wird. Die Masseanbindung muss ausreichend flächig erfolgen, so dass sich keine lokalen Potentialanhebungen ergeben, die das Schaltverhalten negativ beeinflussen würden.

Die Verschaltung der einzelnen Elemente entspricht dem Schaltplan des D220. Der Kollektor des Lowside-Endstufentransistors (oben links) dient neben seiner eigentlichen Funktion zusätzlich als Weiterleitung des Ausgangspotentials zum Highside-Endstufentransistor, der sich weiter rechts befindet. Das erklärt die doppelte Kollektoranbindung.

 

D220 Die Detail Analyse

Mit dem Wissen um die Strukturen der Metalllage kann man noch einmal einen Blick auf ein Die des Wafers werfen. Die Widerstände lassen sich gut identifizieren. Die Längen korrelieren mit den im Schaltplan angegebenen Werten. Der Widerstand, der aus der Kollektorzuleitung des Darlingtontransistors geformt wurde, stellt mit 58Ω einen auffällig niedrigen Widerstandswert dar. Das erklärt sich durch die höhere Dotierung dieser Schicht, die normalerweise das Kollektorpotential möglichst effizient weiterleiten muss.

 

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