Microeletrônica

Prof. Fernando Massa Fernandes

(Prof. Germano Maioli Penello)

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

Sala 5017 E

fermassa@lee.uerj.br

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

Programa

1. Introdução à tecnologia CMOS

2. Poço condutor - well

3. Camadas metálicas – interconexão

4. Camada ativa e polisilício

5. Resistores, capacitores e MOSFETs

6. Operação do MOSFET

7. Técnicas de fabricação CMOS

8. Modelos digitais (CMOS)

9. Porta inversora (CMOS)

3

Microondas I

Bibliografia Básica:

CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, R. Jacob Baker

Wiley-IEEE Press, ISBN 9780470881323, 3rd Edition, 2010

Complementar:

CMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective Neil H. E. Weste, David Money Harris Addison Wesley, 4th Edition (2010)

VLSI Fabrication Priciples – Silicon and Gallium Arsenide2nd EditionSorab K. Ghandhi

The science and Engineering of Microelectronic Fabrication2nd EditionStephen A. Campbell

Introdução – Programa

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Microondas I

Avaliação:

→ Média de provas (MP) e Média de trabalhos (MT)

→ Média Final, MF = (0,7.MP + 0,3.MT) ≥ 5 → Aprovado!

* Será oferecida uma prova de reposição (Pr) para aqueles que perderem qualquer uma das duas provas.

Introdução – Programa

MP=P1+P 2

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Objetivos

I. Conhecer os fundamentos do processo de fabricação de microcircuitos

e suas principais etapas.

I. Compreender a estrutura dos componentes básicos obtidos por meio

da tecnologia de fabricação CMOS, e suas principais características de

fabricação e operação.

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

Visão geral do curso

• Introdução CMOS• Substrato• Cálculo de resistência• Junção PN• Regras de design – poço• Camada metálica• Regras de design – camada metálica• Resistência de contato• Exemplos de leiaute• Camada ativa e de polisilício• Conectando os fios• Regras de design – MOSIS• Dispositivos (resistores, capacitores, MOSFETs)• Características do MOSFET• Técnicas de fabricação e processamento

Níveis de abstração

Regressão Histórica1946. Computador ENIAC

→ 17.000 válvulas termiônicas (160 kW)→ Complexidade = Perda de confiabilidade→ Tempo longo de reparação e manutenção→ Alto custo e grande espaço físico necessário→ Desenvolvimento inviável com essa tecnologia

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

Regressão Histórica1948. Primeiro transistor de estado sólido (BJT)

→ Laboratórios Bell (US)→ Willian Shockley→ Semicondutor Germânio

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

1953. Patente de método de integração de componentes eletrônicos usando uma camada de semicondutor*→ Transistores BJT (10 x 1,6 mm)→ Harwick Johnson

1954. Primeiro transistor BJT de silício→ Texas Instruments→ Gordon Kid

Regressão Histórica1958. Primeiro protótipo de um CI usando componentes discretos*

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

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

adicionando-se apenas as interconexões”

1959. Processo de fabricação planar de transistores BJT de silício(dopagem por difusão e processo de oxidação)*→ Fairchield Semiconductor→ Jean Hoerni (difusão) e Robert Noyce (Isolação por junção PN e

metalização de conectores com alumínio)

1959. Invenção do MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) → Laboratórios Bell→ Dawan Kahng & Martin Atalla

Regressão Histórica1963. Patente da tecnologia de fabricação CMOS (Complementary Metal-

Oxide-Semiconductor)*→ Fairchield Semiconductor→ Frank Wanlass

1965. Formalização do conceito de escalabilidade do CI em silício(Lei de Moore)→ Intel (Fundador)→ Gordon Moore

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

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

Regressão Histórica1974. → 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 µm)

Lei de Moore

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

286386

Pentium 4

Transistores com dimensões menores que 20 nm!

“O número de transistores dobraa cada 18-24 meses”

Tecnologia CMOS – Visão Geral

Tecnologia planar. MOSFET. CMOS.

I. ConfiávelII. Baixo consumo de potênciaIII.Baixo custoIV.Escalonável

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

95% dos CIs atuais são 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 história da humanidade!

Tecnologia CMOS – Visão Geral

Tecnologia CMOS – Visão Geral

Par MOSFET Complementar. → Inversor. → Porta Nand. →

→ Circuitos digitais (Lógica Booleana) → Processadores Memórias Microcontroladores

Leiaute →

CMOS – Tecnologia dominante na fabricação de CIs

Evolução do TransistorMetal/Óxido → Polisilício/Óxido. → (SOI) → Polisilício/Isolante. → Porta Tripla

Projetando CMOS

Especificação do circuito(entradas e saídas)

Cálculos e esquemático

Simulação do circuito

Leiaute

Simulação com parasitics*

Circuito dentro das especificações?

Fabricação do protótipo

Testes e avaliações

Circuito dentro das especificações?

Produção

Circuito dentro das especificações?

*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas

Problemaespec.

Problemafabricação.

Principais tipos de projeto de CIs:

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

• Analógico →MOSFETs majoritariamente do tipo canal longo (long-channel)

• Sinal misto → Casamento entre sinais digitais e analógicos (precisão)

• OPTO → Para optoeletrônica (Fotodiodos)

Projetando CMOS

Fabricação

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

• Cada bolacha contém diversos Chips (die)

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

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

São adicionados aos wafers estruturas para testes e monitoramento de parâmetros de qualidade do processo

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

Primeiro circuito feito pela UERJ

Fabricação CMOS

Fotolitografia

Fabricação CMOS

Fazendo um CI

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 fabricação de CI

• Bolachas multiprojetos de Si para dividir os custos de fabricação (modelo de máscaras compartilhadas)• Mosis recebe a bolacha processada depois da fabricação, corta e separa os chips (Dicing Machine). Os chips são empacotados e submetidos aos criadores do design.• Fornece regras para o projeto de fabricação e parâmetros de simulação para o SPICE

Exemplos de Processos de fabricação comerciais

• CMOS padrão (circuitos digitais)

• CMOS HV (alta tensão)

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

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

• CMOS-OPTO → Para optoeletrônica (Wafer especial-camda epitaxial) • SiGe:C → Sistemas Microeletromecânicos (MEMS)

Exemplos de Processos de fabricação comerciais

*Em geral para 10 peças

Fabricação da bolacha de Si

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

/home/fernando/Microeletronica/1_Silicon Wafer Production_Czochralski_Growth.mp4

Construindo um CI

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

/home/fernando/Microeletronica/2_From sand to silicon_Construindo um CI.mp4

Fabricação de chips

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

/home/fernando/Microeletronica/3_From Sand to Silicon the Making of a Chip Intel.mp4