Microeletrônica Prof. Fernando Massa Fernandes https://www.fermassa.com/microeletrônica.php Sala 5017 E fermassa@lee.uerj.br http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/microeletronica_2016-2.html (Prof. Germano Maioli Penello)
Camadas de metal As camadas de metal em um CI conecta 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 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. 2
Parasíticos associados ao metal Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância 3
Parasíticos associados ao metal Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância 4
Atraso de propagação intrínseco Sem considerar os efeitos parasíticos, qual é o tempo de atraso de uma camada de metal em um processo CMOS? Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento. 5
Atraso de propagação intrínseco Sem considerar os efeitos parasíticos, qual é o tempo de atraso de uma camada de metal em um processo CMOS? Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento. Utilizando o SiO2 como dielétrico com constante dielétrica ~4. 6.7 ps/mm < 28 ps/mm efeitos parasíticos não podem ser desprezados! 6
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1 Capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm Veja a tabela do slide 36 7
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) 8
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 9
Limite de corrente Um fator que limita a quantidade de corrente que pode passar pelo metal é devido à eletromigração. Sentido da corrente - + Eletromigração Aumento da resistência devido à corrente. (similar à erosão fluvial.) 10
Limite de corrente Tipicamente no Alumínio, JAL ~ 1 2 ma/ m Em geral os metais mais externos são usados para a alimentação do circuito. Metal2 é normalmente duas vezes mais espesso que o metal1, por isso tem uma resistência de folha menor. Metal3 é mais espesso que o metal2 Metal4 é mais espesso que o metal3 11
Regras de design para o metal Usando a regra CMOSedu! E se utilizássemos a regra DEEP? Reveja aula 7. 12
Regra de design Dois quadrados Retângulo Ao desenhar máscaras, esses dois desenhos são equivalentes. Dica: desenhar uma célula de via e salvá-la facilita na hora de fazer o design. Note bem que o programa que estamos usando (Electric VLSI System Design) é baseado em componentes (método de conectividade)! Essas dicas são para programas em que cada uma das camadas (máscaras) têm que ser desenhadas separadamente (método de geometria). 13
Resistência de contato Usaremos neste curso uma resistência de contato de 10 /contato R = 10 R = 2.5 14
Resistência de contato Usaremos neste curso uma resistência de contato de 10 /contato R = 10 R = 2.5 Regra padrão: corrente máxima no contato de 100 A O maior número de vias diminui efeitos de eletromigração (Correntes menores passarão nas vias em paralelo). 15
Fotos Metais em diferentes alturas Camada superior em foco num microscópio óptico camada inferior em foco 16
Crosstalk Pode ser medido aplicando uma tensão degrau em um condutor e medindo a tensão acoplada no outro condutor Um sinal propagando em um condutor acopla com o outro condutor. Im corrente no condutor adjacente; VA tensão de sinal 17
Crosstalk Incluindo a capacitância do substrato com os metais: V é a tensão no condutor adjacente e C1,sub é a capacitância entre o condutor adjacente e o substrato Esse resultado é obtido analisando duas capacitâncias em série: VB VA isolante FOX Substrato Q1 = Cm(VA-VB) Q2 = C1,sub(VB-0) Onde VB = V Q2 = Q 1 V é a tensão de ruído acoplada no condutor adjacente. 18
Crosstalk As linhas metálicas também possuem uma indutância mútua, como se existisse um transformador entre os dois condutores. Indutância mútua: IA é a corrente injetada que varia no tempo (sinal de entrada), Vm é a tensão induzida (sinal de saída) e Lm é a indutância mútua. O crosstalk pode ser reduzido se aumentarmos a distância dos condutores! 19
Ground bounce - DC Se o circuito exige uma corrente DC de 50 A, a DDP no circuito não é mais o valor ideal de 1V! Este problema pode ser resolvido aumentando a espessura do condutor (reduzindo sua resistência). Note que VDD e o terra não têm valores fixos, eles dependem de como o circuito é desenhado. 20
Ground bounce - AC É muito comum em CMOS circuitos com baixíssima dissipação (baixo consumo de corrente), ex. Calculadora de alimentação solar. Nestes casos, o problema do slide anterior não é crítico. Mas e se, num curto período, a corrente vai a 50 A? Podemos adicionar um capacitor decoupling que mantém a DDP do circuito. Este capacitor deve ser inserido externamente ao circuito entre os pinos VDD e terra do CI. 21
Exemplo dq = I dt O valor do capacitor é razoavelmente alto para ser feito no processo de fabricação CMOS. 22
Exemplo 23
Exemplo 24
Exemplo 270 pf não é um valor de capacitância que pode ser feita facilmente. Se o circuito está rodando a 500MHz (período de 2ns), Corrente alta para a saída de um CI 25
Conclusões A largura do metal é um ponto importante na hora de desenhar um circuito, evitando ao máximo o efeito de ground bounce. O número de vias interconectando camadas reduz a resistência de contato. A proximidade dos condutores também afeta o circuito de uma maneira indesejada. Devemos sempre ter em mente esses pontos. Não podemos ignorar os efeitos parasíticos se queremos projetar um circuito que funcione de acordo com as especificações. 26
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 m (depende do processo) Quais são as dimensões finais? E o espaçamento entre os pads? 27 27
Exemplos de leiaute Processo C5 com 3 metais leiaute de pad Desejado: Tamanho do chip de 1,5 mm com o bonding pad de 100 m (Processo C5) Quais são as dimensões finais? E o espaçamento entre os pads? 28 28
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 m (depende do processo) Regra de design: 30 m de espaçamento entre os pads 6 m de espaçamento entre o overglass e metal 29
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 m (depende do processo) Mas não colocaremos pads nos cantos. Portanto, usaremos 6 pads 1040 m ou 20800 30
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad O metal 1 está imediatamente abaixo do metal 2 caso queiramos conectar o pad com metal 1 ou 2. Temos que fazer as vias entre os metais. Coloca-se as vias nos cantos. 31
Exemplos de leiaute Processo C5 bonding pad 32 32
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad O metal 1 está imediatamente abaixo do metal 2 caso queiramos conectar o pad com metal 1 ou 2. Temos que fazer as vias entre os metais. Coloca-se as vias nos cantos. Via 33
Exemplos de leiaute Processo de 50 nm com dois metais leiaute de pad 1040 m ou 20800 34
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, 35
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, Maximizando o perímetro e minimizando área. Serve para medir resistência de folha (a) ou capacitância mútua (c). Por que não fazer uma trilha reta? 36
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, Maximizando o perímetro e minimizando área. Serve para medir resistência de folha (a) ou capacitância mútua (c). Por que não fazer uma trilha reta? Limitação de tamanho! 37
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, Maximizando área e minimizando perímetro. Ideal para medir capacitância de placa e evitar a capacitância de borda. Capacitância de borda é medida usando duas serpentinas, uma em cima da outra. 38
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, Qual é melhor para medir resistência? 39
Exemplos de leiaute Estruturas de teste do metal Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, Maior resistência (# de quadrados), mais fácil de medir. Menor spreading de corrente 40
Microscopia Eletrônica de varreduta 41
Exercícios 42
Exercícios 43
Exercícios 44
Trabalho 2 Entrega até dia 01/02 (Qui) Leiaute e simulação de um divisor de tensão resistivo http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm Simular tensão de 0V a 5V, no esquemático {sch} e no leiaute {lay}. (Enviar arquivo compactado (.zip,.rar, etc)) Trab2_Nome_2017(1).zip 1 Arquivo Electric (.jelib) 2 Print Screen dos 2 gráficos da simulação {.sch e.lay}