Microeletrônica

Germano Maioli Penello

Contato

Site (em andamento)

• www.lee.eng.uerj.br/~germano– Ainda não finalizei o site do curso. Assim que eu

terminar, adicionarei links para os cursos desteperíodo

gpenello@gmail.com

MicroeletronicaUerj2015

Pauta

201110066811VINICIUS DE OLIVEIRA ALVES DA SILVA

201020582111PEDRO DA COSTA DI MARCO

200820515511LEONARDO SOARES FARIA

200710030011LAIS DA PAIXAO PINTO

201010067611JEFERSON DA SILVA PESSOA

201210076411HUGO LEONARDO RIOS DE ALMEIDA

200810343411DAVID XIMENES FURTADO

201110063911ALLAN DANILO DE LIMA

201110256011ÁQUILA ROSA FIGUEIREDO

Isadora

Visão geral do curso

• 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

Níveis de abstração

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

http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law

286

386

Pentium 4

Transistores com dimensões

menores que 20 nm!

Lei de Moore

http://en.wikipedia.org/wiki/Moore%27s_law

286

386

Pentium 4

Transistores com dimensões

menores que 20 nm!

http://cvseventh.com/111569/images-bacteria-viruses/

Introdução ao projeto de circuitos

integrados CMOS

• VLSI – Escala de integração muito alta (~106

MOSFETs)

• ULSI – Escala de integração ultra alta (~109

MOSFETs)

http://en.wikipedia.org/wiki/Very-large-scale_integrationhttp://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_circuit

Projetando CMOS

Especificação do circuito

(entradas e saídas)

Cálculos e esquemático

Simulação do circuito

Leiaute

Simulação com parasitics*

Circuito dentro

das especificações?

Fabricação do protótipo

Testes e avaliações

Circuito dentro

das especificações?

Produção

Circuito dentro

das especificações?

*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas

Problemaespec.

Problemafabricação.

Fabricação

• Circuitos integrados CMOs são fabricadosem bloachas (wafers) de Si.

• Cada bolacha contém diversos Chips (die)

http://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_%28electronics%29

O diâmetro mais comum de

bolacha de Si é de 300 mm (12 in)

Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in

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

MOSFETShort channel e long channel

http://jas.eng.buffalo.edu/education/mos/mosfet/mosfet.html

http://educypedia.karadimov.info/electronics/javaanalogsemi.htm

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/NMOS/nmos.html

MOSFET fabricação

CMOS - histórico

• Inventado por Frank Wanlass em 1963 naFairchild 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 porcausa 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 nahistória da humanidade!

CMOS - Presente

• 95% dos CIs são de tecnologia CMOS

• Fabricados em área pequena

• Baixo consumo

• Alta frequência

• Manufaturabilidade (baixíssimos defeitosde fabricação)

• Baixo custo

• Escalonamento

SPICESimulation 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

- 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.

- 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 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).

BSIMBerkeley 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.comMetal 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

Exemplos de dispositivos

Resistores

Exemplos de dispositivos

Capacitores

Exemplos de dispositivos

MOSFET

Dispositivos

• Indutores? Alguma idéia de como fazerum?

Etapas recorentes

Fotolitografia

Fabricação CMOS

Fabricação CMOS

Solda

Importante - Elementos parasitas

Info. extras

http://www.intel.com/content/www/us/en/research/intel-

technology-journal/2008-volume-12-issue-02-intel-technology-

journal.html?wapkw=cmos