Microeletrônica. Aula 13. Prof. Fernando Massa Fernandes. Sala 5017 E.

Transcrição

1 Microeletrônica Aula 13 Prof. Fernando Massa Fernandes Sala 5017 E fernando.fernandes@uerj.br (Prof. Germano Maioli Penello)

2 Camada ativa e de polisilício (Cap. 4) Revisão Já analisamos as seguintes camadas de fabricação: n-well, metal1, metal2, via1 e overglass.

3 Front-end (FEOL) Back-end (BEOL) Camadas CMOS Revisão

4 Revisão O que a máscara n-well faz na bolacha de Silício? Define a região de dopagem tipo n (por difusão). Visão 3D Máscara

5 Revisão O que as máscaras metal1, metal 2 e via1 fazem na bolacha de Silício? Definem as regiões com metal 1 ou metal 2 e as conexões entre os metais 1 e 2.

6 Revisão O que as máscaras metal1, metal 2 e via1 fazem na bolacha de Silício? Definem as regiões com metal 1 ou metal 2 e as conexões entre os metais 1 e 2. O que a máscara overglass faz? Define a abertura na passivação (região sem óxido) para conexão elétrica externa.

7 Revisão O que as máscaras metal1, metal 2 e via1 fazem na bolacha de Silício? Definem as regiões com metal 1 ou metal 2 e as conexões entre os metais 1 e 2. O metal 1 está conectado com o resistor de poço-n?

8 Revisão O que as máscaras metal1, metal 2 e via1 fazem na bolacha de Silício? Definem as regiões com metal 1 ou metal 2 e as conexões entre os metais 1 e 2. O metal 1 está conectado com o resistor de poço-n? Não! Ainda não aprendemos como remover o óxido para conectar o resistor.

9 Camada ativa e de polisilício (Cap. 4) Revisão Já analisamos as seguintes camadas de fabricação: n-well, metal1, metal2, via1 e overglass. A partir de agora, analisaremos as camadas ativa, n-select, p-select, poly1, silicide e contato.

10 Novas camadas Revisão As camadas ativa, n-select, p-select, poly são usadas para criar o canal-n e o canal-p dos MOSFETs e também com elas poderemos definir um contato entre o metal1 com o substrato ou o poço. A camada ativa especifica a área de abertura do FOX As camadas n-select e p-select definem onde implantar os átomos p e n. As camadas n-select e p-select definem a área de abertura para o tipo da implantação (n ou p) As camadas ativa e as camadas select são sempre usadas em conjunto.

11 Camada ativa Revisão A camada ativa define onde abrir o FOX (field oxide) definindo a área ativa. O FOX separa dispositivos uns dos outros. As áreas ativas são isoladas uma das outras pelo FOX (existe conexão entre os dispositivos pelo substrato ou pelo poço, mas o FOX tenta fazer com que essa comunicação seja mínima).

12 p-select e n-select Revisão As máscaras p-select ou n-select sempre acompanham a camada ativa. Elas são usadas para dopar a região ativa com átomos p ou n (Quais átomos são usados para dopagem p ou n?).

13 p-select e n-select Revisão As máscaras p-select e n-select sempre acompanham a camada ativa. Elas são usadas para dopar a região ativa com átomos p ou n (Quais átomos são usados para dopagem p ou n?). As máscaras n-select e p-select são sempre maiores que as regiões ativas para evitar problemas de desalinhamento. O FOX protege o substrato da implantação.

14 Camada poly Revisão O nome poly vem de polisilício (polysilicon), um material policristalino de silício. Desenhar um poly em cima de uma região ativa forma um MOSFET. O número de MOSFETs em um processamento é facilmente obtido contando-se quantas vezes o poly cruza a região ativa. O poly forma a porta (gate) do MOSFET. O dreno e a fonte são formadas pela implantação n.

15 Porta auto alinhada Revisão GOX A área abaixo do poly não é dopada. A camada poly protege a região abaixo dela da implantação dos dopantes A fina camada de óxido entre o poly e a região ativa é chamada de óxido de porta - gate oxide (GOX) O dreno e fonte ficam auto alinhados com a deposição do poly da porta.

16 Fio de poly Revisão As camadas de poly podem ser usadas como fios da mesma forma que a camada de metal. Note que a camada poly fica em cima da camada FOX. A resistência de folha da camada poly é ~200 /quadrado. Compare com a camada metálica! A capacitância ao substrato também é maior (veja a tabela). Portanto, o atraso do fio poly é maior do que o do metal. Para reduzir a resistência de folha, uma camada de siliceto (silicide) é depositada sobre o MOSFET. O silicide e o poly formam o chamadado polycide (policeto). Silicide mistura de silício com um elemento mais eletropositivo (por ex., tungstênio)

17 Resistências típicas Com silicide as resistências são bem menores! Revisão Note que o silicide é sempre colocado acima do poly! Se for colocado abaixo, cria um contato retificador (contato de barreira Schottky).

18 Bloco de siliceto Revisão Resistências da tabela do slide anterior (com e sem Silicide): ns ps

19 Fluxo de processo CMOS Genérico * Fabricação do par MOSFET

20 Fluxo de processo CMOS Genérico * Fabricação do par MOSFET O pad oxide serve apenas como uma camada para o crescimento do silicon nitride que evita o crescimento de óxido. O fotorresiste é depositado e com fotolitografia protegemos a região de interesse e definimos a região aberta no FOX.

21 Fluxo de processo CMOS Genérico A área não protegida é corroída e forma trincheiras rasas.

22 Fluxo de processo CMOS Genérico As trincheiras são preenchidas com SiO2 formando a região de campo (regiões do FOX). Este tipo de isolamento entre os dispositivos é chamada de isolamento de trincheira rasa (STI shallow trench isolation)

23 Fluxo de processo CMOS Genérico Duas regiões de implante são feitas para ajustar a tensão de gatilho (canal). As implantações p e n são feitas em etapas distintas.

24 Fluxo de processo CMOS Genérico Polisilício é depositado sobre óxido de porta.

25 Fluxo de processo CMOS Genérico Implantação rasa para formar o lightly doped drain (LDD) do MOSFET. Serve para prevenir que o campo elétrico perto da fonte e dreno fique muito intenso (veremos detalhes mais adiante no curso). O poly serve como uma máscara para as implantações (O canal do MOSFET é auto-alinhado).

26 Fluxo de processo CMOS Genérico É depositado o óxido espaçador nas laterais do poly e depois implantados n+ e p+ para criar as áreas de dreno e fonte. A implantação também dopa o poly e reduz sua resistividade.

27 Fluxo de processo CMOS Genérico A última etapa é o silicide para reduzir a resistência de folha do poly e das regiões n+ e p+.

28 FEOL e BEOL As sequências feitas nos últimos slides são chamadas de FEOL (front-end of the line) As sequências feitas após isso (camadas de metais e vias) são chamadas de BEOL (back-end of the line))

29 Etapas de processo damasceno As sequências 1)Trincheira 2)Cobrir a trincheira com óxido 3)Polir o substrato para que o topo seja plano É chamado de processo damasceno. Foi este o processo que apresentamos aqui. O processo damasceno é utilizado mais comumente nas camadas metálicas. Trincheiras são formadas nos isolantes, cobre é depositado e o topo do wafer é polido para ficar plano.

30 Etapas de processo damasceno As sequências 1)Trincheira 2)Cobrir a trincheira com óxido 3)Polir o substrato para que o topo seja plano O processo damasceno tem origem na técnica de incrustação de ouro em espadas e foi originalmente desenvolvida por artesão na cidade Síria de Damasco.

31 Conectando camadas poly e ativa ao metal 1 Conectando a camada ativa (n+ e p+) à camada de metal

32 Conectando camadas poly e ativa ao metal 1 Conectando a camada ativa (n+ e p+) à camada de metal Nunca se conecta o metal diretamente ao substrato ou ao poço! Esse conexão direta ao substrato ou poço só é feita se for desejada a construção de um Diodo Schottky (contato retificador)

33 Conectando camadas poly e ativa ao metal 1 Conectando as camadas poly à camada de metal

34 Conectando camadas poly e ativa ao metal 1 Conectando as camadas poly à camada de metal O metal1 se conecta à camada poly e ao metal2. O metal2 não se conecta diretamente à poly. Ele primeiro se conecta ao metal 1 e depois à poly

35 Conectando camadas poly e ativa ao metal 1 Ao se abrir os contatos pelo isolante, usa-se uma stop layer. Ela serve para parar a remoção do isolante na altura correta. A stop layer é colocada diretamente sobre o FOX antes de depositar o isolante.

36 Conectando o substrato-p ao terra Já discutimos que o substrato-p tem que estar aterrado (ponto de menor potencial ). Por que?

37 Conectando o substrato-p ao terra Já discutimos que o substrato-p tem que estar aterrado (ponto de menor potencial ). Por que? Evitar a polarização direta do diodo parasítico entre o substrato e o n+

38 Conectando o substrato-p ao terra Não conectamos diretamente o metal1 no substrato! A conexão é feita na camada p+. Lembre-se que o poly fica em cima do FOX e o metal1 fica em cima do isolante acima do FOX.

39 Conectando o substrato-p ao terra Não conectamos diretamente o metal1 no substrato! A conexão é feita na camada p+. Lembre-se que o poly fica em cima do FOX e o metal1 fica em cima do isolante acima do FOX.

40 Conectando o substrato-p ao terra Não se conecta o substrato em apenas um ponto. Para garantir que todo o substrato está aterrado, as conexões ao substrato devem ser usadas sempre que possível..o substrato é resistivo. Se conectarmos o terra em apenas um ponto, regiões distantes não vão ter o mesmo potencial.

41 Conectando o poço-n O corpo de um PMOS é o poço-n. Ele também deve ser conectado a um determinado potencial. Qual potencial é este?

42 Conectando o poço-n O corpo de um PMOS é o poço-n. Ele também deve ser conectado a um determinado potencial. Qual potencial é este? O potencial mais elevado (VDD). A conexão ao poço-n é feita com o metal1 e a região n+. Em circuitos digitais.

43 Lembrem-se do trabalho 1 Resistor de poço-n O resistor de poço-n é conectado ao metal1 em dois pontos. A conexão é feita utilizando a camada ativa e a n-select. Nesta seção de corte não estamos mostrando o siliceto

44 Lembrem-se do trabalho 1 Resistor de poço-n Se o substrato está aterrado, não podemos aplicar potenciais menores que aprox. -0.5V para evitar a condução através do diodo parasítico. Resistência é estimada entre as beiradas da região ativa L

45 Leiaute de um NMOS Sempre que a camada poly cobre a camada ativa, temos um MOSFET! Dispositivo de 4 terminais. Corpo conectado ao terra. Dreno e fonte são equivalentes.

46 Leiaute de um PMOS Sempre que a camada poly cobre a camada ativa, temos um MOSFET! Dispositivo de 4 terminais. Corpo conectado ao VDD. Dreno e fonte são equivalentes.

47 Simbolos de MOSFET Canal-p Canal-n JFET MOSFET intensificação MOSFET intensificação Sem corpo MOSFET depleção MOSFET depleção Sem corpo

48 Célula padrão Standard cell frame Célula conveniente para fazer as ligações de terra e VDD, de substrato e poço. Metade superior é um poço-n. Poço-n é ligado ao VDD pela camada n+. Abaixo da conexão do poço-n, temos uma camada de p-select onde os dispositivos PMOS são desenhados.

49 Célula padrão Standard cell frame Célula conveniente para fazer as ligações de terra e VDD, de substrato e poço. Metade inferior é o substrato p. Substrato é ligado ao terra pela camada p+. Na região da camada de n-select onde os dispositivos NMOS são desenhados.

50 Célula padrão Standard cell frame Célula conveniente para fazer as ligações de terra e VDD, de substrato e poço. Utilizando diversas células padrão em conjunto As células padrão tem altura definida. O acoplamento delas aumenta a área de leiaute lateralmente. Note o acoplamento das conexões de alimentação, terra, poços-n e substrato. Camadas sobrepostas! Não é problema desde que passe no DRC.

51 Regras de design Consulte o mosis.org para as regras em detalhes

52 Regras de design Consulte o mosis.org para as regras em detalhes

53 Regras de design Consulte o mosis.org para as regras em detalhes Forma reduzida de construir um NMOS Mesma região ativa para a construção do NMOS e a conexão com o substrato Agora a fonte e o dreno não são mais terminais intercambiáveis!

54 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V.

55 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V. ii) Faça a simulação do circuito e obtenha no mesmo gráfico a corrente no dreno do NMOS e na fonte do PMOS quando a tensão de alimentação (Vf) varia entre 0V e 5V com passo de 5mV e a tensão no gate (Vg) varia entre 0V e 5V com passo de 1V.

56 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V. ii) Faça a simulação do circuito e obtenha no mesmo gráfico a corrente no dreno do NMOS e na fonte do PMOS quando a tensão de alimentação (Vf) varia entre 0V e 5V com passo de 5mV e a tensão no gate (Vg) varia entre 0V e 5V com passo de 1V. *Para auxiliar no projeto e simulação dos transistores utilize o tutorial 2 do site cmosedu.com: utorial_2.htm

57 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V. ii) Faça a simulação do circuito e obtenha no mesmo gráfico a corrente no dreno do NMOS e na fonte do PMOS quando a tensão de alimentação (Vf) varia entre 0V e 5V com passo de 5mV e a tensão no gate (Vg) varia entre 0V e 5V com passo de 1V. *Para auxiliar no projeto e simulação dos transistores utilize o tutorial 2 do site cmosedu.com: ectric_tutorial_2.htm

58 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V. ii) Faça a simulação do circuito e obtenha no mesmo gráfico a corrente no dreno do NMOS e na fonte do PMOS quando a tensão de alimentação (Vf) varia entre 0V e 5V com passo de 5mV e a tensão no gate (Vg) varia entre 0V e 5V com passo de 1V. Enviar arquivo compactado do trabalho (.zip,.rar, etc...) para o fernando.fernandes@uerj.br, contendo: 1. Arquivo do Electric (.jelib) 2. Arquivo do LTSpice (.spi) 3. Síntese em arquivo pdf, contendo o gráfico de Id (nmos) e Is (pmos), o esquemático e o layout do circuito feitos no Electric.

59 Trabalho 2 Par CMOS i) Desenhe no Electric o esquemático e o layout do par complementar (CMOS) conforme o circuito representado na figura, para ser fabricado na tecnologia C5 (de 300nm). O canal dos transistores deve ter 0.6 µm, a largura do NMOS deve ser de 3µm e a largura do PMOS deve ser de 6µm. O contato de corpo do NMOS deve ser conectado ao terra e o contato de corpo do PMOS deve ser conectado a VDD = 5V. ii) Faça a simulação do circuito e obtenha no mesmo gráfico a corrente no dreno do NMOS e na fonte do PMOS quando a tensão de alimentação (Vf) varia entre 0V e 5V com passo de 5mV e a tensão no gate (Vg) varia entre 0V e 5V com passo de 1V. Enviar arquivo compactado do trabalho (.zip,.rar, etc...) para o fernando.fernandes@uerj.br, contendo: 1. Arquivo do Electric (.jelib) 2. Arquivo do LTSpice (.spi) 3. Síntese em arquivo pdf, contendo o gráfico de Id (nmos) e Is (pmos), o esquemático e o layout do circuito feitos no Electric. Nome do arquivo: Exemplo FernandoMF_Trab2_2018(1)_Microeletronica.zip Data de entrega: 22/06