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Microeletrônica

Aula 12

Prof. Fernando Massa Fernandes

(Prof. Germano Maioli Penello)

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

Sala 5017 E

[email protected]

https://www.fermassa.com/Microeletronica.php

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

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 metal2Metal4 é mais espesso que o metal3…

Revisão

Crosstalk

Um sinal propagando em um condutor acopla com o outro condutor.

Im – corrente no condutor adjacente; VA – tensão de sinal

Pode ser medido aplicando uma tensão degrau em um condutor e medindo a tensão acoplada no outro condutor

Revisão

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:

VAVB

Substrato

FOXisolante

Q1 = Cm(VA-VB)

Q2 = C1,sub(VB-0)

Q2 = Q1

V é a tensão de ruído acoplada no condutor adjacente.

Onde VB = V

Revisão

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!

Revisão

Ground bounce - DC

Se o circuito exige uma corrente DC de 50A, 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.

Revisão

Ground bounce - AC

Este capacitor deve ser inserido externamente ao circuito entre os pinos VDD e terra do CI.

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 50A?Podemos adicionar um capacitor decoupling que mantém a DDP do circuito.

Revisão

Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal

Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …

Revisão



Maximizando o perímetro e minimizando área. Serve para medir resistência de folha (a) ou capacitância mútua (c). Por que não fazer uma trilha reta?

Revisão



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!

Revisão



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.

Revisão



Qual é melhor para medir resistência?

Revisão



Maior resistência (# de quadrados), mais fácil de medir.Menor spreading de corrente

Revisão

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.

Revisão

Camada ativa e de polisilício

Já analisamos as seguintes camadas de fabricação: n-well, metal1, metal2, via1 e overglass.

Revisão

(Cap. 4)

Camadas CMOSB

ack-

end

(BE

OL)

Fro

nt-e

nd (

FE

OL)

Revisão

Poço n - 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

Metal1 e via1

Via1 - região onde o isolante deve ser removido para haver conexão entre o metal1 e o metal2.

Metal1 – Camada de metal logo abaixo do meltal2

Num processo de mais metais: Via n → conexão entre metal n e metal n+1

Revisão

Camada overglass

Cortes na passivação são feitos para obter contato elétrico. Para especificar onde abrir o contato, usamos a camada overglass.

Regra MOSIS – 6m entre o limite do metal e o da abertura overglass. Qual a escala usada no desenho acima?

RevisãoO que a máscara n-well faz na bolacha de Silício?

Máscara

Visão 3D

RevisãoO que a máscara n-well faz na bolacha de Silício?Define a região de dopagem tipo n (por difusão).

Máscara

Visão 3D

RevisãoO que as máscaras metal1, metal 2 e via1 fazem na bolacha de Silício?


Definem as regiões com metal 1 ou metal 2 e as conexões entre os metais 1 e 2.



O que a máscara overglass faz?



O que a máscara overglass faz? Define a abertura na passivação (região sem óxido) para conexão elétrica externa.



O metal 1 está conectado com o resistor de poço-n?



O metal 1 está conectado com o resistor de poço-n? Não! Ainda não aprendemos como remover o óxido para conectar o resistor.

Revisão

Já analisamos as seguintes camadas de fabricação: n-well, metal1, metal2, via1 e overglass. A partir de agora, analisaremos as camadas ativa, n-select, p-select, poly1, silicide e contato.

Novas camadas

As camadas ativa, n-select, p-select, poly são usadas para criar o canal-n e o canal-p dos MOSFETs e também com elas poderemos definir um contato entre o metal1 com o substrato ou o poço.

→ A camada ativa especifica a área de abertura do FOX As camadas n-select e p-select definem onde implantar os átomos p e n.

As camadas ativa e as camadas select são sempre usadas em conjunto.

→ As camadas n-select e p-select definem a área de abertura para o tipo da implantação (n ou p)

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

MOSFET fabricação

Camada ativa

A camada ativa define onde abrir o FOX (field oxide) definindo a área ativa. O FOX separa dispositivos uns dos outros. As áreas ativas são isoladas uma das outras pelo FOX (existe conexão entre os dispositivos pelo substrato ou pelo poço, mas o FOX tenta fazer com que essa comunicação seja mínima).

p-select e n-select

As máscaras p-select ou n-select sempre acompanham a camada ativa. Elas são usadas para dopar a região ativa com átomos p ou n (Quais átomos são usados para dopagem p ou n?).

p-select e n-select


Como é a seção de corte dessas máscaras?

p-select e n-select


p-select e n-select

As máscaras p-select e n-select sempre acompanham a camada ativa. Elas são usadas para dopar a região ativa com átomos p ou n (Quais átomos são usados para dopagem p ou n?).

As máscaras n-select e p-select são sempre maiores que as regiões ativas para evitar problemas de desalinhamento. O FOX protege o substrato da implantação.

Camada poly

O nome poly vem de polisilício (polysilicon), um material policristalino de silício.Desenhar um poly em cima de uma região ativa forma um MOSFET. O número de MOSFETs em um processamento é facilmente obtido contando-se quantas vezes o poly cruza a região ativa.

O poly forma a porta (gate) do MOSFET. O dreno e a fonte são formadas pela implantação n.

Camada poly

O MOSFET visto desta maneira é um dispositivo de 3 terminais; não estamos abordando a conexão ao corpo (body) do MOSFET.

Com a conexão de corpo, o MOSFET passa a ser um dispositivo de 4 terminais.

Porta auto alinhada

A área abaixo do poly não é dopada.

A camada poly protege a região abaixo dela da implantação dos dopantesA fina camada de óxido entre o poly e a região ativa é chamada de óxido de porta - gate oxide (GOX)

GOX

O dreno e fonte ficam auto alinhados com a deposição do poly da porta.

Exemplo de erros

Implantação dos dopantes (camadas select) antes da deposição do poly.

O que aconteceria caso o poly e as camadas ativas fiquem ligeiramente desalinhadas?

Esta é a vantagem da camada poly auto alinhada.

Fio de polyAs camadas de poly podem ser usadas como fios da mesma forma que a camada de metal. Note que a camada poly fica em cima da camada FOX.

A resistência de folha da camada poly é ~200 /quadrado. Compare com a camada metálica! A capacitância ao substrato também é maior (veja a tabela). Portanto, o atraso do fio poly é maior do que o do metal. Para reduzir a resistência de folha, uma camada de siliceto (silicide) é depositada sobre o MOSFET. O silicide e o poly formam o chamadado polycide (policeto). Silicide – mistura de silício com um elemento mais eletropositivo (por ex., tungstênio)

Resistências típicasCom silicide as resistências são bem menores!

Note que o silicide é sempre colocado acima do poly e camada select! Se for colocado sobre o silício, cria um contato retificador (contato de barreira Schottky).

Resistências típicasCom com o silicide as resistências são bem menores!

Note que o silicide é sempre colocado acima do poly e camada select! Se for colocado sobre o silício, cria um contato retificador (contato de barreira Schottky).

Resistências típicasCom silicide as resistências são bem menores!

Note que o silicide é sempre colocado acima do poly! Se for colocado abaixo, cria um contato retificador (contato de barreira Schottky).

Bloco de siliceto

Resistências da tabela do slide anterior (com e sem Silicide):

Rsquare → n+ poly sem silicide

← Rsquare n+ poly com silicide

Bloco de siliceto

Resistências da tabela do slide anterior (com e sem Silicide):

ns ps

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