Post on 09-Nov-2018
Microeletrônica
Aula 10
Prof. Fernando Massa Fernandes
(Prof. Germano Maioli Penello)
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
Sala 5017 E
fernando.fernandes@uerj.br
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
Camadas de metalB
ack-
end
(BE
OL)
(capítulo 3 do livro)F
ront
-end
(F
EO
L)Revisão
Camadas de metal
As camadas de metal em um CI conectam 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 comumente 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.
Revisão
“Almofada” de contato- Bonding pad
Interface entre o substrato já processado e o mundo externo
Revisão
“Almofada” de contato- Bonding pad
Detalhes do chip de 2015
Revisão
Os pads variam de acordo com a regra de design do fabricante. O tamanho do bonding pad especificado pelo MOSIS é um quadrado de 100m x 100m.
O tamanho final do pad é a única parte do leiaute que não é escalonado a medida que as dimensões do processo diminuem.
“Almofada” de contato- Bonding pad
Note a existência de isolante sob e sobre o metal (isolantes entre camadas)
Contatos para testes com probe station podem ser fabricados fora da área de contato com dimensões mínimas 6m x 6m.
Revisão
Capacitância metal-substratoO substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial.
Qual componente é formado quando temos dois equipotenciais separados por um isolante?
+
-
Revisão
Capacitância metal-substratoO substrato está aterrado e para efeitos práticos pode ser pensado como um plano equipotencial.
Aparecimento de capacitâncias parasíticas entre o metal e o substrato.
Exemplo de capacitâncias parasíticas típicas em um processo CMOS
Revisão
Capacitância metal-substratoEstimando a capacitância parasítica de um pad de 100x100 m2 entre uma camada de metal2 e o substrato:
área Valor obtido na tabela do slide anterior
perímetro Valor obtido na tabela do slide anterior
+x xCapac. =
Revisão
Passivação
O metal2 está coberto com um isolante! Não é possível fazer contato elétrico com ele com uma microsoldadora.Esta camada de óxido é chamada de passivação. Ela protege o chip de contaminações.
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?
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? = 50 nm
Revisão
Importante
Estamos exemplificando um processo de apenas 2 metais!
Se o processo tiver, por exemplo, 5 metais, o último metal (camada superior para fazer a solda) é chamado de metal5.
Revisão
Leiaute das camadas de metal
Até agora vimos as camadas de poço-n, metal2 e overglass. Agora veremos as camadas de metal1 e a via1
Revisão
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
Observe as vias do metal
Metal e viaRevisão
Exemplo
Poço-n, metal1, via1, metal2 (OBS: sem overglass)
Revisão
Parasíticos associados ao metalQuais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal?
Revisão
Parasíticos associados ao metalQuais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal?
Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância
Idealmente, o metal é considerado sem resistência. Isto não é verdade no mundo real. Alguns efeitos que podem ser considerados são:
Revisão
Parasíticos associados ao metalQuais são os efeitos parasíticos que podemos associar à camada de metal?
Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância
Idealmente, o metal é considerado sem resistência. Isto não é verdade no mundo real. Alguns efeitos que podem ser considerados são:
Qual o tempo de atraso de uma conexão metálica de 1 mm de comprimento e 200nm de largura?
Revisão
Parasíticos associados ao metal
Metal1→R square=0 .1Ω/ square
C square=C total
l
td≈0 .35RC total
Revisão
Parasíticos associados ao metal
28 ps é um atraso significativo?
Revisão
Atraso de propagação intrínseco
Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)?Revisão
Atraso de propagação intrínseco
Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)?
Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento.
Revisão
Atraso de propagação intrínseco
Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de propagação por unidade de comprimento.
6.7 ps/mm < 28 ps/mm. Mas notem que os valores são próximos
Utilizando o SiO2 como dielétrico com constante dielétrica ~4.
Quanto tempo a luz leva para percorrer 1 mm em um dielétrico (silício)?Revisão
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1
Veja a tabela do slide da aula anterior
Calcule a capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm:
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1
Veja a tabela do slide da aula anterior
Capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com =50nm
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?Conservação de carga Q = CV
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)
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?
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
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
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?
Conservação de carga Q = CV
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1
Substrato
Este fenômeno serve para explicar o funcionamento do MOSFET de porta flutuante responsável pelas memórias não-volátil flash, EPROM e EEPROM.
http://en.wikipedia.org/wiki/EPROM
ROM (Read-Only Memory)
EPROM (Electrically Programmable ROM)
EEPROM (Electrically Erasable/Programmable ROM)
Capacitância parasítica entre metal2 e metal1
Substrato
Este fenômeno serve para explicar o funcionamento do MOSFET de porta flutuante responsável pelas memórias não-volátil flash, EPROM e EEPROM.
http://en.wikipedia.org/wiki/EPROM
Stacked-gate transistor(EPROM ou EEPROM)
SM Sze, Physics of semiconductor devices (Wiley)
Regras de design para o metal
Usando a regra CMOSedu! E se utilizássemos a regra DEEP?
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).
Resistência de contato
Qual a diferença entre os dois?
Usaremos neste curso uma resistência de contato de 10Ω/contato
Resistência de contatoUsaremos neste curso uma resistência de contato de 10Ω/contato
R = 10 Ω R = 2.5 Ω
Resistência de contatoUsaremos neste curso uma resistência de contato de 10Ω/contato
R = 10 ΩR = 2.5 Ω
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).
Limite de corrente
Um fator que limita a quantidade de corrente que pode passar pelo metal é devido à eletromigração.
Eletromigração – Aumento da resistência devido à corrente. (similar à erosão fluvial.)
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_6/advanced/t6_4_2.html
- +
Sentido da corrente
Limite de corrente
Corrente máxima que pode ser injetada no pad de contato de alumínio
Limite de corrente
Corrente máxima que pode ser injetada no pad de contato de alumínio → 100 mA
Limite de corrente
Tipicamente no Alumínio, JAL ~ 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…
Fotos – Metais em diferentes alturas
Camada superior em foco num microscópio óptico camada inferior em foco
Oportunidade!
Oficina de Introdução ao Projeto de Circuitos Integrados – CI Brasil – Poli USP
http://www.psi.poli.usp.br/emicro-projetos
INSCRIÇÕES - 1 a 31 de maio de 2018
Oficina de Circuitos Integrados Digitais - 10 a 13 de julho de 2018
Circuitos Integrados Mistos (Digitais-Analógicos) - 17 a 20 de julho de 2018