Unter der Bezeichnung A109 fertigte das Halbleiterwerk Frankfurt Oder eine Variante des weit verbreiteten Operationsverstärkers µA709. Der B109 war eine bessere Sortierung. Der Buchstabe C steht für das Keramikgehäuse. Der Datecode AT verweist auf eine Produktion im Januar 1977.
Das Gehäuse besteht aus zwei Keramikelementen. Die Masse, die die beiden Hälften miteinander verbindet, ist etwas ungleichmäßig verteilt. Am Übergang zum Gehäuse rosten die Pins.
Die Kantenlänge des Dies beträgt 1,2mm. Die ungenutzte Fläche um den aktiven Bereich herum ist erstaunlich groß. Vielleicht sollte damit ein Pufferbereich für den Vereinzelungsprozess geschaffen werden. Die unregelmäßige Kante in der rechten unteren Ecke zeigt, dass die Vereinzelung nicht immer optimal abgelaufen ist.
Auf der Oberfläche des Dies sind sehr viele Risse zu erkennen. Es scheint sich um Schäden in der Passivierungsschicht zu handeln. Beim MAA723 fanden sich ähnliche Risse.
Ein Schaltplan des A109 findet sich in der Halbleiterinformation 117, deren Inhalt zu einem Großteil auch in der Zeitschrift Radio Fernsehen Elektronik abgedruckt (24/1976). Der Schaltplan entspricht dem Schaltplan im Datenblatt des LM709.
Für den A109 ist ein Teil des Maskensatzes überliefert. Es fehlen lediglich die Maske der Metalllage und die Maske, die die Kontakte zwischen der Metalllage und den aktiven Bereichen definiert.
Ohne genauere Analysen kann man bereits die Markierungen erkennen, anhand derer die Masken ausgerichtet wurden. Es handelt sich um jeweils zwei Punkte an der linken und der rechten Kante (grün/gelb), die bei korrekter Platzierung aufeinander liegen. Die grün markierten Punkte sind auf dem vorliegenden Die noch sichtbar, die gelb markierten Punkte wurden abgeschnitten.
Die blau markierte Struktur ermöglicht es die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu überprüfen. Es handelt sich um vier Quadrate, die innerhalb eines größeren Quadrats angeordnet sind. Teilweise sind die Quadrate oben links und unten rechts gesetzt, teilweise sind die Quadrate unten links und oben rechts offen sind.
Im unteren Bereich ist eine weitere Hilfsstruktur abgebildet (türkis). Zu dieser Struktur tragen allerdings nur zwei Masken bei.
Die Masken vereinfachen es den Aufbau des integrierten Schaltkreises zu analysieren. Das Ausgangsmaterial ist ein p-dotiertes Substrat. Es wird von einer Siliziumoxid-Schicht geschützt. Der Übersichtlichkeit halber sind Siliziumoxidschichten bis zuletzt nicht dargestellt.
Als erste Maßnahme wird in das p-dotierte Substrat eine starke n-Dotierung eingebracht, die später unter dem Kollektor als niederohmige Kollektorzuleitung dient.
Die Maske für die Kollektorzuleitung ist überliefert und stimmt mit den Strukturen auf dem vorliegenden A109 überein. Den sogenannte "buried collector" erkennt man an den optisch stark hervortretenden Kanten.
Die hohe n-Dotierung befindet sich unter jeder aktiven Struktur mit Ausnahme des PNP-Transistors T13 an der rechten Kante. Dieser Transistor ist ein Substrat-Transistor, ein vertikaler Transistor, der das p-dotierte Substrat als Kollektor nutzt. Vertikale PNP-Transistoren besitzen bessere Eigenschaften als laterale PNP-Transistoren. Man kann sie aber nur einsetzen, wenn der Kollektor mit dem negativen Versorgungspotential verbunden sein soll.
Nach dem Einbringen der Kollektorzuleitung trägt man mit Hilfe von Epitaxie eine n-dotierte Schicht auf. Diese Schicht bedeckt den Wafer vollflächig.
An den Stellen, wo man isolierte Bereiche benötigt, bringt man eine p-Dotierung in die Epi-Schicht ein. Die p-Dotierung erstreckt sich bis zur nun tiefer liegenden Kollektorzuleitung und bildet so eine Wanne. In dieser Wanne sind die aktiven Bereiche isoliert, solange das Substrat das niedrigste Potential der Schaltung aufweist.
Betrachtet man die Maske der gerade beschriebenen p-Dotierung, so zeigt sich, dass damit nicht nur isolierte Bereiche für die aktiven Elemente geschaffen werden. Auch die Flächen unter den Bondpads sind von der Umgebung isoliert. Lediglich das Bondpad in der rechten unteren Ecke bildet hierbei eine Ausnahme. Über dieses Bondpad wird das negative Versorgungspotential übertragen, das mit dem Substrat verbunden ist.
In den aktiven Strukturen setzt sich diese n-Dotierung der Wannen optisch kaum ab. Sie lässt sich nur über die umgebenden Strukturen eingrenzen. Im nächsten Schritt werden die Isolationsrahmen verbreitert. Das bedeutet, dass die Umgebung der schmalen Isolationsrahmen noch nicht die n-Dotierung enthält. Die Grenze der n-Dotierung bildet die Kante, die die tiefer liegenden Kollektorzuleitung umgibt. Oberhalb der Kollektorzuleitung befindet sich natürlich auch diese n-Dotierung.
Im nächsten Schritt wird die p-Dotierung eingebracht, die unter anderem die Basis-Schicht der NPN-Transistoren darstellt. Gleichzeitig lassen sich mit der Basis-Dotierung Widerstände darstellen. Wie sich gleich noch zeigen wird, verstärkt dieser Prozessschritt auch die seitliche Isolation der aktiven Bereiche.
Die Maske der p-Dotierung formt die Basis-Bereiche der NPN-Transistoren, Kollektor- und Emitter-Bereiche der PNP-Transistoren und die Widerstände. In den NPN-Transistoren kann man die Basisflächen relativ gut erkennen, da sie nur noch von der kleineren Emitterflächen überlagert sind.
Die Strukturierung der Maske zeigt, dass die p-Dotierung außerdem die Isolation um die aktiven Bereiche verstärkt. Das bedeutet, dass nicht nur die schmalen Rahmenstrukturen p-dotiert sind, sondern auch die direkte Umgebung.
In der unteren rechten Ecke des Dies kann man erkennen, dass das negative Versorgungspotential dort mit dem Isolationsrahmen und so auch niederohmig mit dem Substrat verbunden ist.
Zuletzt wird eine starke n-Dotierung eingebracht, die die Emitterbereiche darstellt. Sie bildet zusätzlich die Kontaktflächen zu den Kollektorbereichen. Ein direkter Kontakt der Metalllage mit der schwachen n-Dotierung würde einen Schottky-Kontakt, eine Diode ausbilden. Zusätzlich sorgt die starke n-Dotierung in der Kontaktfläche für niedrigere Zuleitungswiderstände zum Kollektor.
Die Maske der starken n-Dotierung besitzt entsprechend dort Ausschnitte, wo sich die Emitter befinden und wo Kollektorbereiche kontaktiert werden. Auf dem Die verbergen sich die Kollektorkontakte meist unter der Metalllage. Die Emitterflächen setzen sich durch ihre Kanten im Innersten der Transistorstrukturen ab.
Eine besondere Form besitzt der NPN-Transistor T10, der mit dem Transistor T11 als Stromquelle für den Differenzverstärker am Eingang dient. Warum genau diese Form vorteilhaft war, bleibt unklar. Allerdings kommt es bei den beiden Transistoren auf unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen an. Wahrscheinlich liegt hier der Grund für den speziellen Aufbau.
Ebenfalls auffällig sind die beiden PNP-Transistoren T9 und T13. Hier dient die starke n-Dotierung der niederohmigen Kontaktierung des Basis-Bereichs. Bei T13, dem vertikalen PNP-Transistor, hat man den hochdotierten Bereich, fast um den ganzen aktiven Bereich herumgeführt, um eine möglichst niederohmige Anbindung darstellen zu können.
Die große n+ Fläche im oberen rechten Bereich sorgt für eine niederohmige Anbindung der dortigen Wanne an das positive Versorgungspotential. Das ist notwendig, weil sich in diesem Bereich der Highside-Transistor der Endstufe befindet. Bei hohen Strömen durch den Transistor besteht die Gefahr, dass sich das Potential der Wanne verschiebt und so die dort ebenfalls integrierten Widerstände beeinflusst werden.
Nach der Fertigstellung der aktiven Strukturen überzieht man den Wafer vollflächig mit einer isolierenden Siliziumoxidschicht. Danach werden Kontakte zum aktiven Bereich geätzt. Die Maske für diesen Prozess ist nicht überliefert.
Auf die Siliziumoxidschicht trägt man dann vollflächig eine Metalllage auf und strukturiert sie mit einer weiteren Maske, die nicht überliefert ist.
Zuletzt wird der ganze Wafer mit einer Passivierungsschicht überzogen, die die aktiven Elemente vor Umwelteinflüssen schützt (hier nicht dargestellt). Wahrscheinlich handelt es sich um Siliziumoxid. Auf moderneren Schaltkreisen kommt dagegen meist Siliziumnitrid zum Einsatz. Wo die Bonddrähte die Metalllage kontaktieren sollen, müssen dann noch Öffnungen in die Passivierungsschicht geätzt werden. Dafür ist eine weitere Maske notwendig, die hier nicht dokumentiert ist.
Statt der Metalllage ist bei den Masken eine Art Verdrahtungsplan abgebildet, die zeigt wo die einzelnen Elemente verortet sind.
Neben dem Widerstand R11 findet sich ein etwas kürzerer, ungenutzter Widerstand (gelb). Über eine Variation der Metalllage kann man diesen Widerstand als R11 heranziehen oder sogar beide Widerstände parallelschalten. Damit ist es möglich den Arbeitsstrom des Differenzverstärkers am Eingang einzustellen.
Mit den obigen Folgerungen kann man alle Strukturen auf dem Die ihren Funktionen zuordnen.
