Microeletrônica Germano Maioli Penello
Contato Site http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/microeletronica_2015-2.html gpenello@gmail.com
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
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
Lei de Moore Transistores com dimensões menores que 20 nm! Pentium 4 386 286 http://en.wikipedia.org/wiki/moore%27s_law
Lei de Moore Transistores com dimensões menores que 20 nm! Pentium 4 386 286 http://en.wikipedia.org/wiki/moore%27s_law http://cvseventh.com/111569/images-bacteria-viruses/
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) http://en.wikipedia.org/wiki/integrated_circuit http://en.wikipedia.org/wiki/very-large-scale_integration
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
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 http://en.wikipedia.org/wiki/wafer_%28electronics%29
Fabricação da bolacha de Si https://www.youtube.com/watch?v=amgq1-hdelm
Construindo um CI https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7gjxe
Fabricação de chips https://www.youtube.com/watch?v=q5pawn7bfg4
Processamento diodo http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html
MOSFET Short channel e long channel http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html http://educypedia.karadimov.info/electronics/javaanalogsemi.htm
MOSFET fabricação http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/nmos/nmos.html
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.
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 (100.000 transistores) Década de 1990 ~1.000.000 transistores Década de 2000 - ~100.000.000 transistores Década de 2010 - ~2.500.000.000 transistores Um dos dispositivos que mais foi fabricado na história da humanidade!
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
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. * http://pt.wikipedia.org/wiki/licen%c3%a7a_bsd
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
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).
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, ) http://www-device.eecs.berkeley.edu/bsim/?page=bsim3
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
Resistores Exemplos de dispositivos
Capacitores Exemplos de dispositivos
MOSFET Exemplos de dispositivos
Dispositivos Indutores? Alguma idéia de como fazer um?
Etapas recorentes
Fotolitografia
Fabricação CMOS
Fabricação CMOS
Solda
Processador intel http://imgur.com/a/ynpex
Importante - Elementos parasitas