Richi´s Lab

3"-Wafer - U809M - Steuerungs-IC in der Vermittungszentrale ATZ65

U809M

Die hier zu sehende Sammlung stammt aus dem Thüringer Museum für Elektrotechnik (externer Link) und zeigt die verschiedenen Verarbeitungsschritte bei der Herstellung des U809M.

 

Halbleiterbauelemente-Symposium HFO

Halbleiterbauelemente-Symposium HFO

Der U809M ist ein spezieller Schaltkreis, zu dem sich nur sehr wenige Informationen finden. In den Bauelemente-Vergleichsliste des Kombinats Mikroelektronik wird er unter der Bezeichnung "Vermittlungs-IS" geführt. Die obigen zwei Bilder stammen aus dem Dokument "Materialökonomische Effekte beim Einsatz der IS U809M". Dieser Vortrag wurde 1983 auf dem Halbleiterbauelemente-Symposium gezeigt. Eine Veranstaltung die das Halbleiterwerk Frankfurt Oder regelmäßig organisiert hat.

Im Text des Dokuments wird erklärt, dass es sich beim U809M um einen kundenspezifischen Schaltkreis handelt, der für die automatische Telefonzentrale ATZ 65 entwickelt wurde. Der U809M ersetzt dort elektromechanische Baugruppen. Beim Einsatz von 10.000 der integrierten Schaltkreise könnten 44kg Edelmetall, 7t Neusilber, 12t Kupfer und 19t Magnetweicheisen eingespart werden. Entwickelt wurde der U809M im Funkwerk Erfurt in Zusammenarbeit mit dem Fernmeldewerk Arnstadt.

 

U809M Wafer

In der Sammlung des Thüringer Museums für Elektrotechnik befindet sich als Ausgangspunkt ein 3"-Wafer. Die Abflachung an der unteren Kante zeigt, dass es sich um ein n-dotiertes Substrat mit einer (111)-Kristallstruktur handelt. Zwischen den Schaltkreisen befinden sich verhältnismäßig viele Teststrukturen. Der Wafer enthält geschätzt 181 vollständige U809M-Schaltkreise. Die Größe des U809M (5,5mm x 3,4mm) reduziert die Ausbeute erheblich. Auf einem kleineren 2"-Wafer konnte man demgegenüber 1128 der im Vergleich sehr viel kleinere D220 integrieren (Kantenlänge 1,2mm).

 

U809M Wafer Teststruktur

Die Teststruktur trägt die Bezeichnung MT7. MT scheint eine Standard-Bezeichnung für Teststrukturen gewesen zu sein. Auf dem 4"-Wafer mit U3230 tragen die Teststrukturen die Bezeichnung MT21S. Den größten Teil der Fläche nimmt eine gefaltete Struktur ein. Um den Umfang herum sind diverse kleine Elemente integriert.

 

U809M Wafer Teststruktur Detail

Im Detail ist die gefaltete Teststruktur recht komplex. Der an der unteren Kante zusammengeführte Teil stellt einen großen Transistor dar. Der Rest scheint Sonderformen von Transistoren oder transistorähnlichen Strukturen zu enthalten.

 

U809M Wafer Teststruktur Detail

An der rechten Kante kann man eine Reihe von Durchkontaktierungen vermessen. An der unteren Kante ist ein Metal-Gate- und ein Polysilizium-Gate-MOSFET zu sehen.

 

U809M Die

Laut dem Dokument des Halbleitersymposiums ist der Schaltkreis 5,5mm x 3,4mm groß, enthält 3191 Transistoren und basiert auf einer p-Kanal-Silicongate-Technologie.

 

U809M Die Detail

Im unteren Bereich des Dies sind die Buchstaben FMA abgebildet, die für Fernmeldewerk Arnstadt stehen.

 

U809M Die Prozess

An der linken Kante des Dies finden sich die eingesetzten Masken und ihre Revisionen: A1, B1, C1, D1, E1 und F1. Die Maske A öffnet das sogenannte "Fieldoxide" (FOX), das den Wafer initial schützt und definiert damit die aktiven Bereiche.

Danach werden mit der F Maske die sogenannten "F-Kontakte“ platziert. Die F-Kontakte erlauben eine direkte Verbindung zwischen dem Polysilizium und den aktiven Bereichen. Das ist äußerst hilfreich, da man ansonsten vom Polysilizium in die Metalllage wechseln müsste, um von da aus den aktiven Bereich kontaktieren zu können. Abgesehen vom erhöhten Platzbedarf würden derartige Verbindungen die Leitungsführung in der Metalllage behindern. Die F-Kontakte waren eine Optimierungsmaßnahme innerhalb des pSGT-Prozesses, weswegen die alphabetische Reihenfolge der Masken hier nicht mehr mit der technologischen Reihenfolge übereinstimmt.

B strukturiert daraufhin das Polysilizium. Es ist schön zu sehen, dass das Polysilizium auf dem FOX rot wirkt, während es im aktiven Bereich gelblich erscheint.

Nach dem Polysilizium wird vollflächig eine p-Dotierung aufgebracht, die sowohl in die offenen aktiven Bereiche als auch in das Polysilizium eindringt. Diese Bereiche sind dann gegenüber dem n-dotierten Substrat isoliert. Das zuvor hochohmige Polysilizium wird durch die p-Dotierung niederohmig. Wo sich über den aktiven Bereichen das Polysilizium und das Gateoxid befindet, wird die p-Dotierung abgeschirmt, so dass sich darunter die PMOS-Transistoren ausbilden. Damit ist gleichzeitig sichergestellt, dass sich das Polysilizium-Gate direkt über dem p-Kanal befindet ("self aligned gate").

Die Maske D formt die Metalllage. Die C Maske definiert die Durchkontaktierungen zu aktivem Gebiet beziehungsweise zum Polysilizium. Nachdem alles mit einer schützenden Oxidschicht überzogen wurde, öffnet die Maske E die Bereiche der Bondflächen.

Das Kreuz mit den Quadraten ermöglicht es die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu bewerten.

 

U809M Die Detail

An der oberen Kante befinden sich zwei Teststrukturen. Rechts ist ein PMOS-Transistor abgebildet. Links befindet sich unter dem Polysilizium eine Unterbrechung im aktiven Bereich, so dass das Polysilizium auf dem dicken FOX aufliegt. An dieser Stelle soll das Polysilizium keinen Einfluss haben, da ansonsten in der Schaltung parasitäre Transistoren entstehen können.

Die minimalen Strukturbreiten betragen 9µm.

 

U809M Die Detail

Die Schaltungsteile lassen sich auf Grund der großen Strukturen gut erkennen. Die gelben Pfeile markieren F-Kontakte, wie sie oben beschrieben sind.

 

U809M Die Detail

Das Dokument des Halbleitersymposiums erklärt, dass der U809M insgesamt 30 Open-Drain-Ausgänge mit einem gemeinsamen Source-Anschluss besitzt. Die Umsetzung dieser Endstufen ist sehr ungewöhnlich. Man hat den Transistor direkt um das Bondpad herum aufgebaut. Die grün erscheinende Gateelektrode trennt das Potential des Bondpads von dem Rahmen, der das gemeinsame Source-Potential führt. Über den Endstufen sind die länglichen, als Last-Widerstände verschalteten Transistoren integriert. Zwischen den Last-Widerständen und den Endstufen befinden sich etwas verdeckt die Logik-Treibertransistoren, die das Gate der Endstufentransistoren auf einen Low-Pegel ziehen können. Logik-Treibertransistor und zugehöriger Last-Widerstand bilden einen Inverter. Der pSGT Prozess erzeugt eine PMOS-Logik, die mit 0V (Bulk) und -13V (Vdd) versorgt wird. 0V (Bulk) entspricht einer logischen 0. Der Low-Pegel von -13V entspricht einer logischen 1.

Neben den Ausgängen besitzt der U809M 13 Eingänge, von denen hier zwei an der linken Kante zu sehen sind. Von den Bondpads führt eine lange, dünne Leitung (aktives Gebiet) zu einer Schutzstruktur. Die Leitung dient als Strombegrenzungswiderstand für den Fall, dass die Schutzstruktur leitend wird. Ein etwas größerer Transistor dient als Schutz vor positiven Spannungen. Sollte die Spannung an einem Eingang auf positive Werte ansteigen, so wird die Schutzstruktur leitend und begrenzt die Spannung. Es könnte sein, dass die Struktur auch bei negativen Spannungsspitzen schützend wirkt und damit die komplementäre Entsprechung eines sogenannten "Grounded Gate NMOS" ist.

 

U809M Die Detail

An der rechten Kante befindet sich eine Schaltung, deren Strukturen deutlich von den restlichen Logik-Strukturen abweichen. Hierbei handelt es sich um den RC-Oszillator (unten), der über zwei Bondpads zwei komplementäre Taktsignale ausgibt (oben).

 

U809M Thüringer Industriearchiv

Im Thüringer Industriearchiv (externer Link) befindet sich eine Abbildung der Strukturen. Der Baustein ist hier gespiegelt dargestellt.

 

U809M Backend

Die Grundlage für den U809M bildet ein Stanzgitter.

 

U809M Backend

Die Oberfläche in der Mitte des Stanzgitters wurde vergoldet. Man kann davon ausgehen, dass die Oberflächenvergütung notwendig war, um robuste Bondverbindungen darstellen zu können.

 

U809M Backend

Die einzelnen Dies werden mit einer speziellen Diamantsäge aus dem Wafer herausgeschnitten und auf das Stanzgitter gelötet. Das hier aufgesetzte Die trägt einen Lackpunkt. Die Schaltkreise werden noch auf dem Wafer getestet. Fehlerhafte Elemente werden mit einem Lackpunkt versehenen und normalerweise nicht weiterverarbeitet. In diesem Fall wurden fehlerhafte Dies verwendet, um den Bonder und die Packaging-Maschine einzurichten und zu justieren.

Nach dem Auflöten des Dies werden die Bondverbindungen zwischen dem Schaltkreis und dem Stanzgitter geschaffen.

 

U809M Backend

Die dunkle Vergussmasse besteht üblicherweise aus einem Epoxid und diversen Füllmaterialien. Sie schützt den IC vor Umwelteinflüssen und auch vor Lichteinfall. Die Masse muss initial sehr dünnflüssig sein, damit die Bonddrähte nicht beschädigt werden. Außerdem ist zu beachten, dass die Ausgangsmaterialien und die Substanzen, die eventuell beim Aushärten entstehen keine negativen Auswirkungen auf den Chip, die Bonddrähte oder das Stanzgitter haben. Die Vergussmasse muss nach dem Aushärten thermisch, mechanisch und chemisch möglichst stabil sein. Außerdem sollte der Ausdehnungskoeffizient den anderen Materialien möglichst ähnlich sein, damit bei Temperaturänderungen keine Risse entstehen, durch die Stoffe aus der Umgebung eindringen könnten.

 

U809M Backend

Nach dem Heraustrennen der Bausteine aus dem Stanzgitter werden die Pins passend gebogen und mit einer Zinnschicht überzogen.

Der Gehäusetyp mit den versetzten Anschlusspins nennt sich Quad In-line Package (QUIP).

 

U809M Backend

Zuletzt erfolgt die Beschriftung, in diesem Fall mit dem Logo des Funkwerk Erfurt.

 

U809M

Hier ist eine spätere Serienvariante des U809M zu sehen. Obwohl sich die Beschriftung teilweise schon aufgelöst hat, kann man noch die Zeichen VD erkennen, die auf eine Fertigung im Dezember 1987 hinweisen. Statt dem Logo des Funkwerk Erfurt stehen hier bereits die Buchstaben MME für VEB Mikroelektronik „Karl Marx“ Erfurt.

Zur Serie hat man den Gehäusetyp optimiert. Die äußeren Pins wurden lokal verbreitert, um die mechanische Stabilität zu erhöhen.

 

U809M Die

Es lassen sich keine Unterschiede zum oberen U809M feststellen. Man hat lediglich die Buchstaben FMA entfernt, wahrscheinlich weil das Fernmeldewerk Arnstadt (FMA) in der Zwischenzeit in Nachrichtenelektronik Arnstadt (NEA) umbenannt wurde.

 

U809M Die Detail

Bei der Auflistung der Maskenrevisionen zeigt sich, dass alle Masken einmal überarbeitet wurden, die Maske C hat man als einzige zweimal angepasst.

Der Chefentwickler des U809M erklärt die Hintergründe dieser Änderungen: Das U809M Prototyp-Design enthielt einen Fehler: Es fehlte das C-Kontaktloch für das Gate eines Last-Transistors. Nach Einbrennen dieses Kontaktlochs in einige Prototyp-Chips und deren erfolgreicher Erprobung in der Vermittlungszentrale ATZ65 wurde die C1-Maske zu C2 korrigiert, um kurzfristig weitere Prototyp-Chips fertigen zu können. Es ist nicht bekannt, warum für die Serienproduktion des U809M dann später ein komplett neuer Maskensatz hergestellt wurde. Man sieht aber, dass nun die Kontakt-Maske die Revision C3 trägt.

 

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