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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
fernando.fernandes@uerj.br
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
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
Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
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
Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
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
Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
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
Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Qual é melhor para medir resistência?
Revisão
Exemplos de leiauteEstruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
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)
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?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.
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?
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? Define a abertura na passivação (região sem óxido) para conexão elétrica externa.
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 metal 1 está conectado com o resistor de poço-n?
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 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)
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
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?).
Como é a seção de corte dessas máscaras?
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
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
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
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