microeletr´nica - 01 vf.pdf  t©cnicas de fabrica§£o cmos 8. modelos...

Download Microeletr´nica - 01 VF.pdf  T©cnicas de fabrica§£o CMOS 8. Modelos digitais ... • Clculo

Post on 09-Nov-2018

216 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • Microeletrnica

    Prof. Fernando Massa Fernandes

    (Prof. Germano Maioli Penello)http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

    Sala 5017 Efernando.fernandes@uerj.br

    http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

  • Programa

    1. Introduo tecnologia CMOS

    2. Poo condutor - well

    3. Camadas metlicas interconexo

    4. Camada ativa e polisilcio

    5. Resistores, capacitores e MOSFETs

    6. Operao do MOSFET

    7. Tcnicas de fabricao CMOS

    8. Modelos digitais (CMOS)

    9. Porta inversora (CMOS)

  • Objetivos

    I. Conhecer os fundamentos do processo de fabricao de microcircuitos

    e suas principais etapas.

    II. Compreender a estrutura dos componentes bsicos obtidos por meio

    da tecnologia de fabricao CMOS, e suas principais caractersticas

    de fabricao e operao.

    III. Ser capaz de projetar e simular um microcircuito simples.

  • Bibliografia

    Bsica:

    CMOS Circuit Design, Layout and Simulation3rd EditionR. Jacob Baker

    Wiley IEEE Press

    Complementar:

    VLSI Fabrication Priciples Silicon and Gallium Arsenide2nd EditionSorab K. Ghandhi

    The science and Engineering of Microelectronic Fabrication2nd EditionStephen A. Campbell

  • Viso geral do curso

    Introduo CMOS Substrato Clculo de resistncia Juno PN Regras de design poo Camada metlica Regras de design camada metlica Resistncia de contato Exemplos de leiaute Camada ativa e de polisilcio Conectando os fios Regras de design MOSIS Dispositivos (resistores, capacitores, MOSFETs) Caractersticas do MOSFET Tcnicas de fabricao e processamento

    Nveis de abstrao

  • Regresso Histrica1946. Computador ENIAC

    17.000 vlvulas terminicas (160 kW) Complexidade = Perda de confiabilidade Tempo longo de reparao e manuteno Alto custo e grande espao fsico necessrio Desenvolvimento invivel com essa tecnologia

    http://museo.inf.upv.es/eniac/

  • Regresso Histrica1948. Primeiro transistor de estado slido (BJT)

    Laboratrios Bell (US) Willian Shockley Semicondutor Germnio

    1949. Patente de um amplificador integrado(5 transistores em um substrato semicondutor comum) Siemens (DE) Aparelho auditivo Werner Jacobi

    1953. Patente de mtodo de integrao de componentes eletrnicos usando uma camada de semicondutor* Transistores BJT (10 x 1,6 mm) Harwick Johnson

    1954. Primeiro transistor BJT de silcio Texas Instruments Gordon Kid

  • Regresso Histrica1958. Primeiro prottipo de um CI usando componentes discretos*

    Oscilador de 1 transistor (Patente de Johnson) Texas Instruments Jack Kilby (nobel 2000) + contribuies

    Todos os componentes de um circuito podem ser formados em um nico cristal semicondutor

    adicionando-se apenas as interconexes

    1959. Processo de fabricao planar de transistores BJT de silcio(dopagem por difuso e processo de oxidao)* Fairchield Semiconductor Jean Hoerni (difuso) e Robert Noyce (Isolao por juno PN e

    metalizao de conectores com alumnio)

    1959. Inveno do MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) Laboratrios Bell Dawan Kahng & Martin Atalla

  • Regresso Histrica1963. Patente da tecnologia de fabricao CMOS (Complementary Metal-

    Oxide-Semiconductor)* Fairchield Semiconductor Texas Instruments Frank Wanlass

    1965. Formalizao do conceito de escalabilidade do CI em silcio(Lei de Moore) Intel (Fundador) Gordon Moore

    1968. Primeiro Chip CI CMOS convencional (Logic gates series 4000) RCA Grupo de Albert Medwin

    1970s. Relgios digitais com tecnologia CMOS (economia de bateria) Desenvolvimento dos primeiros processadores

  • Regresso Histrica1974. Processador Intel 8080 de 8-bits

    Calculadoras digitais Primeiros Kits para computadores pessoais

    1981. Primeiro computador pessoal comercial (IBM-PC 5150) Processador Intel 8088 (29.000 transistores, 10 MHz, 3 m)

  • Lei de Moore

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

    286386

    Pentium 4

    Transistores com dimenses menores que 20 nm!

    O nmero de transistores dobraa cada 18-24 meses

  • Tecnologia CMOS Viso Geral

    Tecnologia planar. MOSFET. CMOS.

    I. ConfivelII. Baixo consumo de potnciaIII.Baixo custoIV.Escalonvel

    MOSFET (NMOS)- Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor

    95% dos CIs atuais so fabricados com tecnologia CMOS

  • Quantos MOSFETs existem em um processador atual?

    (a) ~10.000.000(b) ~100.000.000(c) ~1.000.000.000(d) ~10.000.000.000

    CMOS VLSI Very-Large Scale Integrated 103 106 MOSFETs

    CMOS ULSI Ulta-Large Scale Integrated > 106 MOSFETs

    Dispositivo mais fabricado na histria da humanidade!

    Tecnologia CMOS Viso Geral

  • Tecnologia CMOS Viso Geral

    Par MOSFET Complementar. Inversor. Porta Nand.

    Circuitos digitais (Lgica Booleana) Processadores Memrias Microcontroladores

    Leiaute

    CMOS Tecnologia dominante na fabricao de CIs

  • Evoluo do TransistorMetal/xido Polisilcio/xido. (SOI) Metal/Isolante. Porta Tripla

  • Projetando CMOS

    Especificao do circuito(entradas e sadas)

    Clculos e esquemtico

    Simulao do circuito

    Leiaute

    Simulao com parasitics*

    Circuito dentro das especificaes?

    Fabricao do prottipo

    Testes e avaliaes

    Circuito dentro das especificaes?

    Produo

    Circuito dentro das especificaes?

    *Parasitics capacitncia e indutncia parasticas; junes pn e seus problemas

    Problemaespec.

    Problemafabricao.

  • Principais tipos de projeto de CIs:

    Digital MOSFETs majoritariamente do tipo canal curto (short-channel)

    Analgico MOSFETs majoritariamente do tipo canal longo (long-channel)

    Sinal misto Casamento entre sinais digitais e analgicos (preciso)

    OPTO Para optoeletrnica (Fotodiodos)

    Projetando CMOS

  • Fabricao

    Circuitos integrados CMOs so fabricados em bolachas (wafers) de Si.

    Cada bolacha contm diversos Chips (die)

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

    O dimetro mais comum de bolacha de Si de 300 mm (12 in)

    So adicionados aos wafers estruturas para testes e monitoramento de parmetros de qualidade do processo

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

  • Primeiro circuito feito pela UERJ

  • Fabricao CMOS

  • Fotolitografia

  • Fabricao CMOS

  • Fazendo um diodo

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

  • Etapas recorentes

  • Microssolda (wirebonder)

  • Mosis.comMetal Oxide Semiconductor Implementation Service

    Uma das primeiras empresas de fabricao de CI

    Bolachas multiprojetos de Si para dividir os custos de fabricao (modelo de mscaras compartilhadas) Mosis recebe a bolacha processada depois da fabricao, corta e separa os chips. Os chips so empacotados e submetidos aos criadores do design. Fornece regras para o projeto de fabricao e parmetros de simulao para o SPICE

  • Exemplos de Processos de fabricao comerciais

    CMOS padro (circuitos digitais)

    CMOS HV (alta tenso)

    CMOS SOI (Silicon on Insulator) Para melhor isolamento e controle de canal

    SiGe-BiCMOS Alta freq (RF, micro-ondas)

    CMOS-OPTO Para optoeletrnica (Wafer especial) SiGe:C Sistemas Microeletromecnicos (MEMS)

  • Exemplos de Processos de fabricao comerciais

    *Em geral para 10 peas

  • Fabricao da bolacha de Si

    https://www.youtube.com/watch?v=AMgQ1-HdElM

  • Construindo um CI

    https://www.youtube.com/watch?v=jh2z-g7GJxE

  • Fabricao de chips

    https://www.youtube.com/watch?v=Q5paWn7bFg4

    Slide 1Slide 2Slide 3Slide 4Slide 5Slide 6Slide 7Slide 8Slide 9Slide 10Slide 11Slide 12Slide 13Slide 14Slide 15Slide 16Slide 17Slide 18Slide 19Slide 20Slide 21Slide 22Slide 23Slide 24Slide 25Slide 26Slide 27Slide 28Slide 29Slide 30Slide 31Slide 32

View more >