Microeletrônica. Germano Maioli Penello

Transcrição

1 Microeletrônica Germano Maioli Penello

2 Contato Site

3 Visão geral do curso Níveis de abstração Introdução CMOS Substrato Cálculo de resistência Junção PN Regras de design poço Camada metálica Regras de design camada metálica Resistência de contato Exemplos de leiaute Camada ativa e de polisilício Conectando os fios Regras de design MOSIS Dispositivos (resistores, capacitores, MOSFETs) Características do MOSFET Técnicas de fabricação e processamento

4 CMOS semicondutor metal óxido complementar Tecnologia dominante para a fabricação de CIs Tecnologia confiável, manufaturável, de baixo consumo, baixo custo e escalonável Lei de Moore: número de transistores em um chip dobra aprox. a cada 2 anos Comprimento de porta de transistores atingindo a dimensão de poucos nanometros

5 Lei de Moore Transistores com dimensões menores que 20 nm! Pentium

6 Lei de Moore Transistores com dimensões menores que 20 nm! Pentium

7 Introdução ao projeto de circuitos integrados CMOS VLSI Escala de integração muito alta (~10 6 MOSFETs) ULSI Escala de integração ultra alta (~10 9 MOSFETs)

8 Projetando CMOS Especificação do circuito (entradas e saídas) Produção Cálculos e esquemático Simulação do circuito Problema espec. Circuito dentro das especificações? Problema fabricação. Circuito dentro das especificações? Testes e avaliações Leiaute Simulação com parasitics* Fabricação do protótipo Circuito dentro das especificações? *Parasitics capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas

9 Fabricação Circuitos integrados CMOs são fabricados em bolachas (wafers) de Si. Cada bolacha contém diversos Chips (die) O diâmetro mais comum de bolacha de Si é de 300 mm (12 in) Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in

10 Fabricação da bolacha de Si

11 Construindo um CI

12 Fabricação de chips

13 Processamento diodo

14 MOSFET Short channel e long channel

15 MOSFET fabricação

16 CMOS - histórico Inventado por Frank Wanlass em 1963 na Fairchild Semiconductor Circuitos podem ser feitos de dispositivos MOS complementares - NMOS (MOSFET de canal n) e PMOS (MOSFETs de canal p) Acrônimos: Atualmente, material de porta não é mais metálico, mas sim polisilício (CPOS) MOSFET não é rigorosamente correto! Transistores de efeito de campo isolados (IFET), Transistores de efeito de campo de porta isolada (IGFET) são termos mais corretos. Continuaremos ao longo do curso usando MOSFET e CMOS, por eles serem termos comuns para indicar os dispositivos, os projetos, e a tecnologia que usa dispositivos de efeito de campo complementares.

17 CMOS - histórico Primeiro circuito CMOS foi fabricado em 1968 Década de 1970 uso em relógio de pulso por causa do baixo consumo e início do desenvolvimento de processadores Década de 1980 computadores pessoais ( transistores) Década de 1990 ~ transistores Década de ~ transistores Década de ~ transistores Um dos dispositivos que mais foi fabricado na história da humanidade!

18 CMOS - Presente 95% dos CIs são de tecnologia CMOS Fabricados em área pequena Baixo consumo Alta frequência Manufaturabilidade (baixíssimos defeitos de fabricação) Baixo custo Escalonamento

19 SPICE Simulation program with an integrated circuit enphasis Simulador open source (licença BDS*) de circuitos analógicos desenvolvido na Universdade da Califórnia, Berkeley Usado em projetos de circuitos integrados e também de dispositivos discretos para prever o funcionamento do circuito Projeto de CI -Não é possível usar um breadboard -Alto custo de etapas fotolitográficas e outras etapas de manufatura -SPICE é importante para diminuir os custos de processamento. Verifica-se o funcionamento do circuito antes da sua fabricação. *

20 SPICE - breadboards são usados antes da fabricação da placa em circuitos de componentes discretos. Ainda assim, resistências e capacitâncias parasíticas só são observadas na placa impressa final. - SPICE simula esses efeitos parasíticos em circuitos integrados e ainda pode simular variações das propriedades dos componentes devido à manufatura, analisando a performance do circuito independente da complexidade. - SPICE analisa os componentes do circuito e suas conexões e resolve as equações que governam o circuito (geralmente equações diferenciais não lineares). - Padrão mundial na simulação de circuitos integrados

21 SPICE SPICE analisa: AC (sinais pequenos no domínio de frequência) DC (cálculo do ponto quiescente) Ruído Função de transferência (impedâncias, ganho) Transiente Modelos de dispositivos: Resistores Capacitores Indutores Fontes de corrente e tensão linhas de transmissão MOSFETs BJTs JFETs Diodos de junção SPICE3 inclui modelos de MOSFETs recentes (BSIM).

22 BSIM Berkeley short-channel IGFET model A medida que os MOSFETs foram ficando cada vez menores a cada nova geração, novos modelos computacionais eram necessários para reproduzir o comportamento dos transistores com acurácia. O compact model coalition (CMC) foi criado para definir, manter e promover um padrão para os novos modelos poderem ser usados em simuladores diferentes. O BSIM, criado em Berkeley, é um desses modelos (BSIM3, BSIM4, BSIM6, )

23 Mosis.com Metal Oxide Semiconductor Implementation Service Uma das primeiras empresas de fabricação de CI Bolachas multiprojetos de Si para dividir os custos de fabricação (modelo de máscaras compartilhadas) Mosis recebe a bolacha processada depois da fabricação, corta e separa os chips. Os chips são empacotados e submetidos aos criadores do design. fornece regras para o projeto de fabricação e parâmetros de simulação para o SPICE

24 Resistores Exemplos de dispositivos

25 Capacitores Exemplos de dispositivos

26 MOSFET Exemplos de dispositivos

27 Dispositivos Indutores? Alguma idéia de como fazer um?

28 Etapas recorentes

29 Fotolitografia

30 Fabricação CMOS

31 Fabricação CMOS

32 Solda

33 Processador intel

34 Importante - Elementos parasitas