Aula 0: Introdução

Introducão Circuitos Integrados: vários transistores em um único chip. Very Large Scale Integration (VLSI). Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Rápido, barato, transistores de baixa potência. Curso: Como fabricar e projetar seu próprio chip CMOS Transistor CMOS; Construir portas lógicas com transistores; Layout e fabricação.

Semicondutores Semicondutores são materiais para os quais a 0 K (zero Kelvin): a banda de valência, BV, está totalmente preenchida e; a banda de condução, BC, totalmente vazia, funcionando nessa condição como isolantes. Aumentando-se a temperatura, acima de 0 K, alguns poucos elétrons da banda de valência adquirem ENERGIA TÉRMICA e poderão pular dos seus estados da banda de valência para estados vazios da banda de condução:

Semicondutores

Semicondutores

O Germânio conduz com pequena variação de temperatura. Semicondutores Silício X Germânio O Germânio conduz com pequena variação de temperatura.

Cristal de Silício Transistores são fabricados em substrato de silício Silício é um material do grupo IV Forma 4 ligações com seus átomos vizinhos

Dopantes Silício é um semicondutor Silício puro não possui portadores livres e é um condutor pobre A condutividade é aumentada com a adição de dopantes Grupo V: elétron extra (tipo n - fosforo) Grupo III: perde elétron, chamado lacuna (tipo p - boro)

Junções P-N A junção entre um semicondutor tipo P e um tipo N forma um diodo. A corrente flui somente em uma direção.

O DIODO Serão estudados inicialmente, pois são a base para a fabricação de dispositivos MOS. Diodos também são utilizados como dispositivos de proteção em circuitos digitais, contra cargas estáticas. Diodo fabricado em uma lâmina de silício:

O DIODO O material tipo N é dopado com doadores (fósforo ou arsênio) – elétrons livres. O material tipo P é dopado com receptores (boro) – lacunas.

O DIODO Neste dispositivo o P está mais fortemente dopado do que o N, portanto, a concentração de Aceitadores é maior do que a de Doadores: NA > ND. A tensão desta junção em repouso é dada por: 𝛷= 𝛷 𝑇 ×𝑙𝑛 𝑁 𝐴 𝑁 𝐷 𝑛 𝑖 2 Onde, 𝛷 𝑇 = 𝑘𝑇 𝑞 =26𝑚𝑉 𝑎 300𝐾(26,85°C) ni = 1,5 x 1015 átomos/cm3  Concentração intrínseca do silício a 300K.

O DIODO A tensão formada na junção do diodo depende do material usado. Para o silício é de 0,7V e para o germânio é de 0,3V. É possível medir esta tensão? EXEMPLO: Calcule a tensão de junção em uma junção PN (300 K), onde NA=1015 átomos/cm3 e ND=1016 átomos/cm3. 𝛷=26×𝑙𝑛 10 15 𝑥 10 16 2,25𝑥 10 20 𝑚𝑉=638 𝑚𝑉

O DIODO A equação que representa o comportamento de um diodo ideal é dada por: 𝐼 𝐷 = 𝐼 𝑆 𝑒 𝑉 𝐷 𝛷 𝑇 −1 onde: VD é a tensão de polarização do diodo. IS é a corrente de saturação e corresponde a um valor constante. Esta corrente é causada pela geração térmica de pares elétron/lacuna na região de depleção. Tipicamente, IS tem valor na ordem de 10-17 A/µm2.

O DIODO MODELO PARA ANALISE DE DIODO: Vd varia de valores entre 0,6 e 0,8V para o silício, portanto, é assumido o valor de 0,7V para os cálculos. Modelo de diodo ideal Modelo de diodo de primeira ordem

O DIODO VS-RS ID = VD  Id = (Vs-Vd)/Rs = (3-0,7)/10x103 Exemplo: Considere o circuito abaixo, onde temos VS=3 V, Rs=10 kΩ e IS=0,5 x 10-16 A. A relação entre tensão e corrente é dada por: VS-RS ID = VD  substituindo ID pela equação: 𝐼 𝐷= 𝐼 𝑆 𝑒 𝑉 𝐷 𝛷 𝑇 −1 Obtemos: Id=0,224 mA e VD=0,757 V. Se for utilizada a simplificação onde VD=0,7 V, podemos obter ID=0,23 mA mostrando que a aproximação pode ser realizada com segurança. VS-RS ID = VD  Id = (Vs-Vd)/Rs = (3-0,7)/10x103

Transistor MOS Transistor Metal-Óxido-Semicondutor é o dispositivo básico do design digital; Trabalha muito bem como chave; Tem poucos efeitos parasitas; Permite alto fator de integração; Tem um processo de manufatura relativamente simples.

Transistor MOS Placas Paralelas - Capacitor

Transistor nMOS Quatro terminais: porta, fonte, dreno, corpo Gate – óxido – a estrutura do gate atua como um capacitor Gate e corpo são condutores SiO2 (óxido de silício) é um excelente isolante metal – oxide – semiconductor (MOS) capacitor

Operação do nMOS Corpo é usualmente aterrado (0 V) Quando o gate está em nível baixo: O corpo tipo P está aterrado Os diodos Source-body e drain-body estão OFF Não há corrente fluindo, o transistor está OFF

Operação do nMOS Quando o gate está em nível alto: Carga positiva no gate do MOS capacitor Carga negativas atraidas pelo corpo Inversão do canal abaixo do gate Agora a corrente pode fluir entre fonte e dreno, transistor está ON

Transistor pMOS Similar, mas dopagem e polarizações invertidas Corpo ligado em nível alto (VDD) Gate baixo: transistor ON Gate alto: transistor OFF

Dependência L e Tox

Dependência W

Tensão da Fonte de Alimentação GND = 0 V Nos anos 80, VDD = 5V VDD foi reduzido nos processos modernos Alto VDD pode danificar transistores modernos Baixo VDD economiza energia VDD = 3.3, 2.5, 1.8, 1.5, 1.2, 1.0, …

Funcionamento do Transistor MOS

Operação do Dispositivo Canal n Criando um canal para circulação de corrente. O valor de vGS para formar um canal de condução é chamado de tensão de limiar - Vt. Vt é fixado durante a fabricação e possui valor na faixa de 0,5 a 1,0 V.

Operação do Dispositivo Canal n Resumindo... Para um MOSFET canal n conduzir é necessário: Criar um canal de condução  Aumentar vGS acima de Vt. Aplicar uma tensão vDS resultando na circulação de iD. iD é proporcional vGS-Vt.

Transistor NMOSFET:

Curvas características de transistor nMOS:

Resistência Linear

Transistor como Chave Transitores MOS podem ser utilizados como chave Tensão no gate controla o fluxo entre fonte e dreno

Inversor CMOS A Y 1 OFF ON 1 ON OFF

Inversor CMOS

Porta NAND CMOS A B Y 1 OFF ON 1 OFF ON 1 ON OFF ON OFF 1

Porta NOR CMOS A B Y 1

Porta NAND 3-entradas Y vai para nível baixo se TODAS entradas estão em 1 Y vai para nível alto se ALGUMA entrada está em 0

Níveis de Abstração

Fabricação CMOS

Fabricação CMOS Transistores CMOS são fabricados em lâminas de silício; O Processo Litografico é similar ao utilizado em gráficas; Em cada etapa, diferentes materiais são depositados ou corroídos; De um modo mais simples de entender, vamos estudar os processos através de vistas laterais.

Inversor - Cross-section Os substratos do tipo P são os mais usados para transistores nMOS Necessita de um poço N para transistores pMOS transistors

Poço e Contato Substrato deve ser aterrado e o poço N ligado ao VDD Metal e semicondutor fracamente dopados formam uma conexão pobre, chamada de diodo Shottky Utiliza-se uma região fortemente dopada / taps

Inversor Conjunto de Máscaras Transistores e linhas são definidas por máscaras A linha pontilhada representa um corte transversal

Sequência de Máscaras Seis máscaras n-well Polisilício Difusão n+ Difusão p+ Contato Metal

Fabricação Chips são fabricados em fábricas com salas limpas Courtesy of International Business Machines Corporation. Unauthorized use not permitted.

Etapas de Fabricação Diamentro das Lâminas: de 4 a 30 cm; Espessura das lâminas: 1mm; Início com uma lâmina limpa Os dispositívos são fabricados na parte superior Primeiro passo irá formar o poço N Cobrir a lâmina com uma camada de proteção de SiO2 (oxido); Remover a camada onde o poço N será fabricado; Implantar ou difundir dopantes N na parte exposta da lamina; Retirar o SiO2. Video 1 Video 2

Oxidação Crescimento de SiO2 sobre a lâmina de Si 900 ~ 1200 ºC com H2O ou O2 em forno de oxidação

Fotoresiste Espalhar o fotoresiste Fotorisiste é um polimero organico sensível a luz Fica poroso quando exposto a luz

Litografia Expose photoresist through n-well mask Strip off exposed photoresist Video 1

Corrosão Corrosão do óxido co ácido fluoridrico (HF) Atravessa a pele e corroe os ossos!!! Corroe somente o óxido; preserva o fotorresiste e o substrato. (Corrosão Seletiva).

Retirando Fotorresiste Strip off remaining photoresist Use mixture of acids called piranah etch Necessary so resist doesn’t melt in next step

n-well A região n-well é formada por difusão ou por implantação de ions. Diffusion Place wafer in furnace with arsenic gas Heat until As atoms diffuse into exposed Si Ion Implanatation Blast wafer with beam of As ions Ions são bloqueados pelo SiO2, entram somente no silício exposto Si

Remoção do Óxido Strip off the remaining oxide using HF Volta ao silício descoberto com o n-well Os passos seguintes seguem passos similares.

Polisilício Deposit very thin layer of gate oxide < 20 Å = 20.10-10 m (6-7 atomic layers) Chemical Vapor Deposition (CVD) of silicon layer Place wafer in furnace with Silane gas (SiH4) Forms many small crystals called polysilicon Heavily doped to be good conductor

Polysilicon Patterning Use same lithography process to pattern polysilicon

Processo Auto-Alinhado Use oxide and masking to expose where n+ dopants should be diffused or implanted N-diffusion forms nMOS source, drain, and n-well contact

Diffusão-N Pattern oxide and form n+ regions Self-aligned process where gate blocks diffusion Polysilicon is better than metal for self-aligned gates because it doesn’t melt during later processing

Diffusão-N cont. Historically dopants were diffused Usually ion implantation today But regions are still called diffusion

Diffusão-N cont. Remoção do óxido.

Diffusão-P Processo similar ao de formação das regiões n+.

Contatos Conectar os dispositivos; Cobrir o chip com uma camada espessa de óxido; Corroer o óxido para formar os contatos.

Metalização Evaporação de alumínio sobre a lâmina de silício; Gravação para remoção do excesso de metal, formando os fios.

Layout Chips são especificados por um conjunto de máscaras As dimensões mínimas da máscara determinam o tamanho do transistor (e também velocidade, custo e potência) Tamanho característico f = distância entre fonte e dreno Determinado pela largura mínima do polisilício Tamanho característico melhora 30% a cada 3 anos ou menos Normalizar para o tamanho característico quando descrever as regras de projeto Expressar regras em função do l = f/2 Ex: l = 0.3 mm em um processo de 0.6 mm

Regras Simplificadas de de Projeto Regras iniciais:

Layout de Inversora Dimensões do transistor especificadas por Largura e Comprimento O tamanho mínimo é 4l / 2l, chamado de 1 unidade Se f = 0.6 mm, a largura será 1.2 mm, 0.6 mm de comprimento

Resumo Transistores MOS são pilhas de gate, óxido, silício Funcionam como chaves elétricas Constuir portas lógicas Projetar máscaras para fabricar os transistores Agora você já sabe tudo o necessário para começar a desenhar esquemas e layout de um chip simples

About these Notes Lecture notes © 2011 David Money Harris These notes may be used and modified for educational and/or non-commercial purposes so long as the source is attributed. Traduzido e atualizado por Roberto R. Neli, UTFPR – Campo Mourão.