Microeletrônica. Aula - 9. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E.

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Pietra Lacerda
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1 Microeletrônica Aula - 9 Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fernando.fernandes@uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello)

2 Camadas de metal (capítulo 3 do livro) Front-end (FEOL) Back-end (BEOL)

3 Camadas de metal As camadas de metal em um CI conectam os dispositivos (resistores, capacitores, MOSFETs,...) entre si. Analisaremos aqui apenas um processo CMOS genérico com apenas duas camadas metálicas que chamaremos de metal1 e metal2. Os metais comumente utilizados em CMOS são alumínio e cobre. Analisaremos neste estudo das camadas de metal a área de solda (bonding pad), capacitâncias associadas às camadas, crosstalk, resistência de folha e eletromigração.

4 Almofada de contato- Bonding pad Interface entre o substrato já processado e o mundo externo

5 Almofada de contato- Bonding pad Detalhes do chip de 2015

6 Almofada de contato- Bonding pad Os pads variam de acordo com a regra de design do fabricante. O tamanho do bonding pad especificado pelo MOSIS é um quadrado de 100 m x 100 m. O tamanho final do pad é a única parte do leiaute que não é escalonado a medida que as dimensões do processo diminuem. Contatos para testes com probe station podem ser fabricados fora da área de contato com dimensões mínimas 6 m x 6 m. Note a existência de isolante sob e sobre o metal (isolantes entre camadas)

7 Capacitância metal-substrato O substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial. Qual componente é formado quando temos dois equipotenciais separados por um isolante?

8 Capacitância metal-substrato O substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial. Qual componente é formado quando temos dois equipotenciais separados por um isolante? + -

9 Capacitância metal-substrato O substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial. Aparecimento de capacitâncias parasíticas entre o metal e o substrato. Exemplo de capacitâncias parasíticas típicas em um processo CMOS

10 Capacitância metal-substrato Estimando a capacitância parasítica de um pad de 100x100 m 2 entre uma camada de metal2 e o substrato: Capac. = área x Valor obtido na tabela do slide anterior + perímetro x Valor obtido na tabela do slide anterior

11 Capacitância metal-substrato Estimando a capacitância parasítica de um pad de 100x100 m 2 entre uma camada de metal2 e o substrato: Capac. = área x Valor obtido na tabela do slide anterior + perímetro x Valor obtido na tabela do slide anterior

12 Passivação O metal2 está coberto com um isolante! Não é possível fazer contato elétrico com ele com uma microsoldadora. Esta camada de óxido é chamada de passivação. Ela protege o chip de contaminações.

13 Camada overglass Cortes na passivação são feitos para obter contato elétrico. Para especificar onde abrir o contato, usamos a camada overglass. Regra MOSIS 6 m entre o limite do metal e o da abertura overglass. Qual a escala usada no desenho acima?

14 Camada overglass Cortes na passivação são feitos para obter contato elétrico. Para especificar onde abrir o contato, usamos a camada overglass. Regra MOSIS 6 m entre o limite do metal e o da abertura overglass. Qual a escala usada no desenho acima? = 50 nm

15 Importante Estamos exemplificando um processo de apenas 2 metais! Se o processo tiver, por exemplo, 5 metais, o último metal (camada superior para fazer a solda) é chamado de metal5.

16 Leiaute das camadas de metal Até agora vimos as camadas de poço-n, metal2 e overglass. Agora veremos as camadas de metal1 e a via1

17 Metal1 e via1 Metal1 Camada de metal logo abaixo do meltal2 Via1 - região onde o isolante deve ser removido para haver conexão entre o metal1 e o metal2. Num processo de mais metais: Via n conexão entre metal n e metal n+1

18 Metal e via Observe as vias do metal

19 Exemplo Poço-n, metal1, via1, metal2 (OBS: sem overglass)

20 Parasíticos associados ao metal Quais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal?

21 Parasíticos associados ao metal Quais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal? Idealmente, o metal é considerado sem resistência. Isto não é verdade no mundo real. Alguns efeitos que podem ser considerados são: Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância

22 Parasíticos associados ao metal Quais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal? Idealmente, o metal é considerado sem resistência. Isto não é verdade no mundo real. Alguns efeitos que podem ser considerados são: Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância Qual o tempo de atraso de uma conexão metálica de 1 mm de comprimento e 200nm de largura?

23 Parasíticos associados ao metal Exercício Proposto: Metal 1 R square = 0.1 Ω C square = C total l t d RC total

24 Parasíticos associados ao metal Exercício Proposto: 28 ps é um atraso significativo?

25 Atraso de propagação intrínseco Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)?

26 Atraso de propagação intrínseco Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)? Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento. Utilizando o SiO 2 como dielétrico com constante dielétrica ~4.

27 Atraso de propagação intrínseco Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)? Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento. Utilizando o SiO 2 como dielétrico com constante dielétrica ~ ps/mm < 28 ps/mm. Mas notem que os valores são próximos

28 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 Calcule a capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm: Veja a tabela do slide 9

29 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 Capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm Veja a tabela do slide 38

30 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1? Qual o circuito que reproduz o problema? Conservação de carga Q = CV

31 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1 (10x10) (4x10)

32 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1 Qual o circuito que reproduz o problema?

33 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1 Qual o circuito que reproduz o problema? Substrato

34 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1 Qual o circuito que reproduz o problema? Substrato

35 Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o metal2 varia de 0 a 1V? Capacitância entre o substrato e o metal1 Qual o circuito que reproduz o problema? Conservação de carga Q = CV

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