Clase 22 - Fabricacion y Layout CMOSTransistores e Inversor CMOS
Universidad de Buenos AiresFacultad de Ingenierıa
66.25 - Dispositivos Semiconductores
Clase 22Ultima actualizacion: 27 de Noviembre de 2014
Lectura recomendada:P. Julian: Introduccion a la Microelectronica, Cap. 7
Preguntas Disparadoras
I ¿Como se fabrica un circuito CMOS?
I ¿Que necesito para fabricar un circuito CMOS?
I ¿Que implica disenar un circuito CMOS a nivel fısico?
Contenido
IntroduccionResena historicaVLSI: Integracion a gran escala
Proceso de fabricacionProduccion de Silicio puroFotolitografıaEtchingOxidacionDopaje
Diseno de CIsDiseno del inversor CMOS
Conclusiones
Evolucion de la electronica I
1873 Se descubre la emision termoionica
1883 Primer patente de un dispositivo electronico: ThomasEdison
1904 Se presenta el primer diodo: Valvula de dos terminales
1906–1907 Se inventa el primer dispositivo amplificador, que luegosera denominado triodo: Valvula de tres terminales
1919–. . . Continua la evolucion de la valvula: tetrodo y pentodo
Evolucion de la electronica II
1925 Primer patente de un transistor FET. Funcionamientoteorico, no se construye prototipo
1947 Se fabrica el primer dispositivo con efecto transistor(Point-Contact Transistor, hecho de germanio).Se acuna el termino transistor por transfer resistor
1948 Se inventa el primer transistor bipolar de juntura (TBJ)
1954 Se fabrica el primer transistor de Silicio
Evolucion de la electronica III
1958 Se fabrica el primer MOSFET en funcionamiento. Seconcibe la idea de circuitos integrados
1959 Se inventa la tecnologıa planar, que permite lafabricacion de CIs
1965–1967 Se patenta la tecnologıa CMOS
‘70 Aparecen las herramientas para Computer-AidedDesign (CAD) y Electronic Design Automation (EDA)
Evolucion de la electronica IV
Tamano (log) [m]
10−7
10−6
10−5
10−4
10−3
10−2
10−1
Minimum Feature Size Actual (22 nm)
¿Que necesito para fabricar un transistor MOS?
P-Bulk
N-Well
p+ p+
Si3N4
SiO2
Acceso electricoa Si y Poly
¿Que necesito para fabricar un transistor MOS?
I Wafer de Si de mayor pureza posibleI Colocar material y removerlo en forma selectiva
I OxidacionI DeposicionI LitografıaI Remocion (Etching)
I Introduccion de impurezasI DifusionI Implantacion ionica
Produccion de Silicio puro IEl Wafer
Material inicial
Silicio Poli-cristalino
Cristal unico
Wafer
I Material inicial: Arena pura(SiO2).
I Se realiza un proceso dedestilacion y reduccion.
I Polisilicio: No es un cristal,pureza 98%.
I Crecimiento del cristal:Tecnica Czochralski.
I Lingote de Si cristalino demaxima pureza.
I Se da forma a los lingotes(diametro).
I Se cortan los wafers.
Produccion de Silicio puro IIEl Wafer
La tecnica Czochralski
Melting of polysilicon,doping
Introduction of the seed crystal
Beginning ofthe crystalgrowth
Crystal pulling
Formed crystal with a residue of melted silicon
Es necesario producir un cilindro de Silicio de altısima pureza(99.9999%)
Produccion de Silicio puro IIIEl Wafer
Se corta el lingote de Si enrodajas (obleas o wafers)
I Espesor ≈ 1mm
I Diametro ≈ 30− 45 cm
Auemento cuadratico de lasuperficie ⇒ Aumento cuadratico
de la densidad de CIs
Antes de comenzar el proceso de fabricacion de CIs, la oblea debelimpiarse para remover residuos e impurezas
Fotolitografıa
I Es el proceso utilizado para transferir un patron geometrico aun material fotoresistivo (fotoresist). Se logra gracias a lareaccion quımica entre la luz y el material.
I Es necesaria para definir las zonas de la superficie donde seencontraran las difusiones, los contactos, las junturas MOS,etc.
I Es un proceso que se repite en todas las etapas de fabricacion.
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Fotolitografıa
Si
I Se tiene un wafer de silicio puro
I Se crece un material “barrera”(oxido)
I Se deposita el fotoresist (lıquido)sobre la oblea y se distribuyehomogneamente
I Se alinea la mascara con respecto ala oblea y se expone a la luz
I El fotoresist cambia su propiedad:se vuelve mas o menos soluble
I Se remueve el fotoresistsensibilizado con una solucionespecial. El material “barrera”queda expuesto
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion Humeda
Gas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion Seca
RIE Reactive-Ion Etching:Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Remocion (Etching)
Si
I Solo una ventana del materialqueda expuesta
I Se expone a un agente quımicocapaz de remover al material“barrera” mas rapido que alfotoresist
Lıquido Remocion HumedaGas Remocion SecaRIE Reactive-Ion Etching:
Ionizacion de plasmay los iones impactanen el materialdesprendiendolo
I El patron se transfiere al oxido
I Se remueve el fotoresist con unsolvente
Oxidacion
Cuando el Silicio se expone a un ambiente con oxgeno, se oxidaproduciendo un aislante.Es un proceso altamente dependiente de la temperatura y la presin
Tipos de oxidacion
Seca El Si se expone a oxıgeno puro. Mas lenta y de mejorcalidad.
Humeda El Si se expone a vapor de agua. Mas rapida.
Aplicaciones de la oxidacion
I Formacion del oxido de compuerta. Se utiliza oxidacion seca.
I Aislante y barrera. Se utiliza oxidacion humeda.
DopajeDifusion
Si
Gas
Deposicion
Difusionen todas
direcciones
I Se coloca el wafer en unhorno con alta concentracionde impurezas a altastemperaturas (≈ 900◦C)
I Los atomos dopantes sedepositan en la superficiepor deposicion
I Las impurezas difundenpenetrando al sustrato ygenerando el perfil deimpurezas en el material
DopajeImplantacion ionica
Si
Haz de iones
I Las impurezas sonimplantadas mediante unbombardeo de iones
I La penetracion depende dela masa del ion y de laenergıa (1 keV − 1MeV )
I Es un proceso mas preciso ycontrolable
I Las colisiones producenimperfecciones en el Si⇒ se necesita un procesotermico de “reacomodacion”
Deposicion
Si
I Es un proceso para producirpelıculas delgadas dedistintos materiales:
I PolysilicioI Oxidos (Si3N4)I Metales
I Existen distntos metodospara realizar deposiciones,los mas usuales sonSputtering (deposicionfısica) y Chemical VaporDeposition (CVD).
I Una vez depositados losmateriales, se elimina de laszonas “indeseadas”.
Deposicion
Si
I Es un proceso para producirpelıculas delgadas dedistintos materiales:
I PolysilicioI Oxidos (Si3N4)I Metales
I Existen distntos metodospara realizar deposiciones,los mas usuales sonSputtering (deposicionfısica) y Chemical VaporDeposition (CVD).
I Una vez depositados losmateriales, se elimina de laszonas “indeseadas”.
Deposicion
Si
I Es un proceso para producirpelıculas delgadas dedistintos materiales:
I PolysilicioI Oxidos (Si3N4)I Metales
I Existen distntos metodospara realizar deposiciones,los mas usuales sonSputtering (deposicionfısica) y Chemical VaporDeposition (CVD).
I Una vez depositados losmateriales, se elimina de laszonas “indeseadas”.
Diseno de CIs I
I El diseno de CIs implica indicar que areas del wafer seranafectadas por cada etapa del proceso de fabricacion.
I Por lo general, se tiene acceso a un proceso de fabricacionestandar, por lo que las etapas de fabricacion no puedenalterarse.
I El producto final del diseno son las mascaras que se utilizaran en la fabricacion.
Diseno de CIs II
Software de diseo de CIs
I Cadence (OrCAD)
I Tanner Tools
I Mentor Graphics
I Synopsys
I LASI (free)
Elementos de diseno
Diseno a nivelde esquematico
Diseno a nivelde Layout
Simulacion(Spice)
Design RuleCheck (DRC)
Layout vs.Schematic (LVS)
Fabricacion
Diseno de CIs III
Layers
I N-Well
I Active
I Difusiones
I Poly
I Metales
I Contactos y vias(interconexiones)
Reglas de diseno
Surgen de la limitaciones delproceso de fabricacion
I Separacion
I Tamano mınimo
I Tamano exacto
I Recubrimiento
Conclusiones
I Para disenar CIs es necesario conocer la estructura fısica delos transistores.
I Conocer el proceso de fabricacion ayuda a mejorar los disenosa nivel fsico.
I Gracias a programas academicos, cualquier universidad puedeespecializarse en estos temas.
I El diseno de CIs esta al alcance de “todos”, no solo de las“mejores universidades” del mundo o las grandes empresas.
I Materias para profundizar en estos temas:
86.42 Laboratorio de Sistemas Digitales86.46 Microelectronica86.47 Optoelectronica
86.48/49 Seminario de Diseno de Circuitos Integrados82.05 Fsica del estado solido