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Microeletrônica
Prof. Fernando Massa Fernandes
(Prof. Germano Maioli Penello)
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
Sala 5017 E
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
Aula - 6
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Fabricação de dispositivos
Resistores
Capacitores
MOSFET
1
Sobre processo de fabricação CMOS:http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/wittmann/node6.html
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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 de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.
Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta
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ρ→resistividade
σ=1ρ→condutividade
Revisão
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
Lembrando:
3
σ=1ρ
=e (μn n+μμp p )
** Lei da ação das massas
np=ni pi
No poço dopado (ND >> n
i)
N D p≫p ⇒ ρ=1
e . μn .N D
μp ( Si )=500 cm2
/ (V . s)
μn ( Si )=1450 cm2
/ (V . s)
N D ou N A , tipicamente →~1016 -1018 cm−3
Revisão
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
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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Revisão
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
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.
E o fator de escala?
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Revisão
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
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.
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 : /sq ou /
Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência
Exemplo: Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100 .Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300
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Resistor de poço-nDetalhe do Layout
Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as diversas etapas de processamento.
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http://www.prenhall.com/howe3/microelectronics/pdf_folder/lectures/tth/lecture4.fm5.pdf
Revisão
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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.
Revisão
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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
Revisão
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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
Revisão
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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.
Revisão
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Substrato e poçoOs 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”).
Revisão
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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 tamanhos mínimos requeridos para todas as camandas do processamento CMOS!
O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e também quem projeta as mascaras. As regras variam dependendo da tecnologia usada (processos com fator de escala 1m 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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Processo de fabricação CMOS da empresa ON Semiconductors, com tecnologia C5 (de 0,3 microns).
Resistência de folha17
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Exemplo -1
Calcule a resistência de um poço-n que tem comprimento 100 e largura 10. Considere Rs = 2 k/sq. Agora, considere que devido ao processamento, esse valor pode variar entre 1.6 a 2.4 k/sq.
Note como o valor do resitor não é muito preciso!
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Resistor de poço-nDetalhe do Layout
Esta é a seção reta de um resistor de poço-n após as divesas etapas de processamento.
http://www.prenhall.com/howe3/microelectronics/pdf_folder/lectures/tth/lecture4.fm5.pdf
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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 /sq?
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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 /sq?
A resistência da quina é aproximadamente 0.6 Rs
A resistência total entre os pontos A e B é de 260
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 for igual ao da resitência medida no circuito, o projeto não será bem sucedido.
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Exercício -1Faça o projeto de um resistor de 250 k 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 k/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
Existe junção pn parasítica? Se sim, onde?
E transistor parasítico? Se sim, onde?
Comprim. máximo do poço-n = 100
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Exercício - 2
No processo de fabricação CMOS da empresa ON Semiconductors, com tecnologia C5 (de 0,3 microns), a resistência quadrada de um poço-n vale cerca de Rs = 855 /sq. Estime o valor da dopagem (N
D) considerando que
a espessura efetiva do poço seja tipicamente de t = ~0,5 micron.
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Trabalho 1 – Divisor de tensão
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Utilizar o tutorial da página cmosedu.com:
http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm
Projeto do Leiaute e simulação – Entrega até dia 11/10 (Qui)
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Electric VLSI Design System
Software open-source para design de circuitos, leiautes e mais…
http://www.staticfreesoft.com/electric.html
Computer aided design – uso de computador para auxiliar a criação, modificação análise e optimização de um projeto
Pode ser usado em conjunto com o LTSpice
http://www.linear.com/designtools/software/
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Projeto de CI
Electric VLSI Design System - (https://www.staticfreesoft.com/)
→ Software CAD Gratuito para projeto de CIs
→ Leiaute do Circuito
→ Regras de projeto do leiaute
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Projeto de CI
LTspice -
→ Software gratuito para simulação de CIs
→ Modelo de componentes em código
Spice - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
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Projeto de CI
Ajustando Electric + LTSpice:
http://cmosedu.com/cmos1/ltspice/ltspice_electric.htm
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Trabalho 1 – Divisor de tensãoProjeto do Leiaute e simulação – Entrega até dia 11/10 (Qui)
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Trabalho 1 – Divisor de tensão1. No Electric construa a célula esquemática de um divisor de tensão formado por dois resistores de 5 kOhms utilizando o processo C5.
2. Projetar o leiaute no Electric utilizando resistores de poço-n do processo C5.
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Trabalho 1 – Divisor de tensão1. No Electric construa a célula esquemática de um divisor de tensão formado por dois resistores de 5 kOhms utilizando o processo C5.
2. Projetar o leiaute no Electric utilizando resistores de poço-n do processo C5.
3. Compare as duas células leiaute vs. esquemático utilizando as ferramentas (LVS ou NCC) do Electric.
4. No Electric, gere o arquivo de simulação do leiaute (.lay) para o LTSpice utilizando o comando Write Spice Deck do Electric.
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Trabalho 1 – Divisor de tensão
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5. Simule com o LTSpice o divisor de tensão variando a tensão de 0 a 5V (.dc vin 0 5 0.1).
5.1 - Apresente o resultado em gráficos da tensão da fonte (Vin) pela tensão entre os dois resistores (Vout) e pela corrente que atravessa os dois resistores (Iin). [(Vin x Vout) e (Vin x Iin)]
5.2 – Determine as dimensões X e Y (em microns) do divisor que será fabricado e a área total em mm2 que será ocupada pelo divisor após o chip ser fabricado. Escreva em texto essas informações na célula do leiaute.
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Trabalho 1 – Divisor de tensão
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6. Enviar arquivo compactado do trabalho (.zip, .rar, etc...) para o email [email protected], contendo:
6. 1 – Arquivo do Electric (.jelib)
6. 2 – Arquivo do LTSpice (.spi)
6. 3 – Print-screen do Leiaute, do esquemático e dos gráficos.
Nome do arquivo: Primeiro nome e iniciais _ Trab1_2018(2)_Microeletrônica
Ex: FernandoMF_Trab1_2018(2)_Microeletronica.zip
Entrega até dia 11/10 (Qui)
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