Microeletrônica - Laboratório de Engenharia Elétricagermano/Microeletronica_2015-2/Aula...

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Microeletrônica

Germano Maioli Penello

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html

Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)

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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

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Lei de Moore

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

286

386

Pentium 4

Transistores com dimensões menores que 20 nm!

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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/

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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


Produção


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

Problemaespec.

Problemafabricação.

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Fabricação

• Circuitos integrados CMOs são fabricados em bolachas (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

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Processamento – diodo

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/pn/diodeframe.html

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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

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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

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Fabricação de dispositivos

Resistores

Capacitores

MOSFET

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Etapas recorentes

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Sala limpa

Todas as etapas recorrentes são feitas em um ambiente controlado chamado de sala limpa.

A sala limpa foi inventada para determinar a idade da terra! (quantidade de chumbo em meteoritios)http://www.astropt.org/2014/08/21/cosmos-setimo-episodio/

Indispensável na fabricação de CI, ela também é usada na industria farmacêutica, em áreas de biotecnologia, e outras áreas sensíveis à contaminação.

http://www.motherjones.com/environment/2014/04/cosmos-neil-tyson-lead-industry-science-denial

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Sala limpa

Turbulenta Laminar

http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mm

Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos abaixo de 0.3mm

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Sala limpaAmbiente controlado: temperatura, umidade, fluxo de ar, descargas eletrostáticas, baixa quantidade de poluentes, poeira, partículas suspensas, vapores químicos

A roupa é para proteger a sala limpa do usuário!

Os móveis são feitos de materiais que não liberem partículas (teflon, aço inox)

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Sala limpa (sala amarela)

Sala onde a luz ambiente não contém radiação UV.

O fotorresiste é sensível à radiação UV e pode ser manuseado nesta sala sem preocupação.

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Substrato – processamento

5 cm

2 cm2 cm

3 mm

Apenas como exemplo! Estes substratos não são de Silício!

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Poço

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/invFab/index.html

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Poço

Primeira camada a ser fabricada no circuito integrado CMOS

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Substrato e poço

Os circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si.Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato mais comum de ser usado em CI CMOS

No substrato tipo-p, NMOS são fabricados diretamente, enquanto PMOS são fabricados em um poço-n.

O substrato ou o poço são chamados de corpo do MOSFET.

Normalmente, uma camada epitaxial de Si é crescida antes do processamento. Não faremos distinção entre essa camada e o próprio substrato.

Um processamento que usa o substrato tipo-p com um poço-n é chamado “processo poço-n” (“n-well process”). Um processamento que usa o substrato tipo-n com um poço-p é chamado “processo poço-p” (“p-well process”).

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Diodo parasíticoUm poço-n num substrato tipo-p forma um diodo

Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado).Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.

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Resistor (poço-n)

Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor.

Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

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Procesamento do poçoAcompanhe os três primeiro passos do applet

• Oxidação• Depósito de fotorresiste• Iluminação seletiva• Remoção seletiva do fotorresiste• Remoção do óxido• Dopagem

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/invFab/index.html

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ProcesamentoAcompanhe os três primeiro passos do applet

Com o substrato completamente limpo, a primeira etapa é a de crescimento de óxido (SiO2 – também chamado de vidro! Excelente isolante elétrico).

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ProcesamentoAcompanhe os três primeiro passos do applet

Com o substrato completamente limpo, a primeira etapa é a de crescimento de óxido (SiO2 – também chamado de vidro! Excelente isolante elétrico).

Si puro em contato com O2 tem como resultado:

Si + O2 SiO2

Para que o SiO2 tenha excelentes propriedades elétricas e para controlar precisamente a sua espessura, existem dois métodos de crescimento de óxido.

Método molhado – crescimento mais rápido, mas pior qualidade elétricaMétodo seco – crescimento mais lento, mas melhor qualidade elétrica

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas (~1000 oC)

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

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Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

Pro efeito de interferência de luz, dá para se estimar a espessura do óxido apenas analisando a sua cor! Mesma explicação do efeito de coloração observada quando existe óleo derramado sobre a água na rua.

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FotorresisteSpin coating - spinner

https://www.youtube.com/watch?v=CyExUbrWT9A

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Fotorresiste (PR)•Pre-cozimento

Substrato sem umidade facilita a aderência do PR

•Spin coating

Camadas bem homogêneas de PR por todo o substrato (~mm)

•Cozimento suave

Remover o solvente do PR. Converter PR de líquido para sólido.

•Iluminação seletiva

PR iluminado se torna solúvel (revelação positiva)

•Revelação

PR iluminado é removido (revelação positiva)

•Cozimento duro

Fortalecer o PR para não ser removido com ácido

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Remoção do óxidoApenas a região exposta (sem fotorresiste), é atacada pelo ácido!

Normalmente utiliza-se ácido fluorídrico (HF) para a remoção do óxido.Buffered oxide etch (BOE) – H20:HF - 6:1

Desenho fora de escala!

Tanto o óxido quanto o fotorresiste servem para proteger o substrato na etapa de difusão que seguirá no próximo slide.

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Difusão

Difusão de átomos doadores (tipo-n). Qual o elemento químico utilizado?

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Difusão

Difusão de átomos doadores (tipo-n).

Elemento da coluna V da tabela periódica

P - Fósforo.

Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

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Difusão Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

O tamanho final do poço-n não é exatamente igual ao da máscara fotolitográfica.

As companhias que fabricam os chips podem aumentar ou diminuir as máscaras para compensar este efeito.

Após a remoção do fotorresiste, ficamos apenas com o substrato e o poço-n

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Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.

Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.

Vista superior

Seção reta

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Regras de design (poço-n)Existem regras que determinam o espaçamento e tamanho mínimos requerido para todas as camandas do processamento CMOS!

O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e também quem projeta o CI. As regras variam dependendo da tecnologia usada (processos com fator de escala 1mm tem diferentes regras de processos com fator de escala de 50nm)

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Regras de design (poço-n)

A medida que o leiaute fica mais e mais complicado, programas computacionas que verificam se as regras de design não são violadas são fundamentais.

O tamanho mínimo pode ser devido à qualidade de criar padrões no fotorreste enquanto que o espaçamento mínimo pode ser devido ao transistor npn parasítico.

Veremos as regras de design mais adiante no curso!

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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

Lembrando:

A resistência de um material depende do propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.

Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta

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A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.

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E o fator de escala?

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E o fator de escala?

O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!

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Resistência de folhaUma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela.

Unidade de Rs : W/sq ou W/

Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência

Ex. Um quadrado com Rs = 100 W/sq tem resistência de 100 W.Um retângulo de lado 3 e comprimento 1 do mesmo material tem resistência de 300 W

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Leiaute de quinasVimos como fazer resistores com o poço-n, mas e se quisermos poupar espaço e fazer algo diferente de um retângulo?

Qual a resistência desta configuração se Rs = 100 W/sq?

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Seria 100 x 3 = 300 W

Mas se pensarmos no caminho que a corrente percorre neste plano, perceberemos que ela não preenche todo o quadrado da quina!

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Seria 100 x 3 = 300 W

Mas se pensarmos no caminho que a corrente percorre neste plano, perceberemos que ela não preenche todo o quadrado da quina!

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A resistência da quina é aproximadamente 0.6 Rs

A resistência total entre os pontos A e B é de 2.6 W/sq

Mas o valor de resistência de folha não é tão preciso! Dependendo do processo, a resistência pode variar significativamente!

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Leiaute de quinasPara evitar os problemas mostrados no slide anterior, evita-se fazer resistências com quinas (cantos). Um método preferível é de conectar resistores retangulares com fios.

Desta maneira, podemos ter uma maior confiabilidade no valor dos resistores projetados.

Ex.: Ganho de um op-amp depende da razão de resistores. Se os valores das resistências projetadas não fo igual ao da resitência medida no circuito, o projeto não será bem sucedido.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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Resistor de poço-nAo longo do curso veremos as diversas camadas, não se preocupe por agora.

Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.

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Exemplo

Calcule a resistência de um poço-n que tem comprimento 100 e largura 10. Considere Rs = 2 kW/sq. Agora, considere que devido ao processamento, esse valor pode variar entre 1.6 a 2.4 kW/sq.

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Exemplo


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Exemplo


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Exemplo


Note como o valor do resitor não é muito preciso!

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ExercícioPara o leiaute abaixo, faça um esboço da seção reta nas duas linhas indicadas. Existe junção pn parasítica? Se sim, onde? E transistor parasítico? Se sim, onde?

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Por que a seção reta não é perfeitamente retangular?

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Por que a seção reta não é perfeitamente retangular?

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ExercícioProjete um resistor de 250 kW usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kW/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

Largura mínima do poço-n = 12

Distância mínima entre poço-n = 6

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ExercícioProjete um resistor de 250 kW usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kW/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

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Trabalho para o dia 08/09Projete um resistor de 250 kW usando um poço-n num padrão de serpentina. O comprimento máximo de cada segmento é de 100 e a resistência de folha é de 2 kW/sq. Confira as regras de design do resistor! Se o fator de escala for de 50 nm, estime o tamanho do resistor fabricado.

http://www.staticfreesoft.com/index.html

Programa gratuito para criar leiautes e esquemáticos. Simula o leiaute em conjunto com o SPICE.

Façam este exercício seguindo as regras de design do programa! Me apresentem os resultados na aula depois do feriado. Farei perguntas sobre o software e sobre as regras de design do programa. Utilizem a tecnologia MOCMOS que segue a regra de design do MOSIS.

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https://www.mosis.com/files/scmos/scmos.pdf

http://cmosedu.com/videos/electric/electric_videos.htm

Tutoriais do electric:

https://www.youtube.com/watch?v=9XkMwzGdE_k&list=PL9CB40DA3A8B7BCA2&index=1

http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm

Siga este tutorial para ajustar as configurações que usaremos ao longo do curso!

Vídeos:

Regras de leiaute do MOSIS

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