Tecnología CMOS

Tecnología CMOS Vicente Baena

Transistores en tecnología CMOS • Para un sustrato tipo p • Para evitar la aparición de diodos en directa: • El sustrato p debe estar conectado a la tensión más negativa • El pozo n debe estar conectado a la tensión más positiva • Las difusiones p+/n+ de los sustratos disminuyen la resistencia de contacto • Los transistores son simétricos

Proceso de Fabricación • Se parte de una oblea de silicio y sobre ella se crean las estructuras de los transistores e interconexiones

Proceso fotolitográfico • Mediante este proceso se crean las diferentes estructuras que componen el IC • De forma simplificada consiste en: • Se cubre la oblea con un material orgánico sensible a la luz • Se exponen a la luz aquellas zonas deseadas mediante una máscara • Las zonas expuestas se eliminan fácilmente mediante un ácido • Las estructuras restantes sirven para delimitar áreas donde queremos eliminar óxido, metalizar, crear difusiones, etc...

Ejemplo: Creación del pozo n • Se parte de la oblea con sustrato p

Ejemplo: Creación del pozo n • Crecimiento de SiO2 (con O2 o H2O en un horno de oxidación)

Ejemplo: Creación del pozo n • Se añade una capa de resina fotosensible

Ejemplo: Creación del pozo n • Mediante una máscara se aplica luz ultravioleta sobre la resina (la resina se polimeriza en contacto con la luz)

Ejemplo: Creación del pozo n • Se elimina la resina polimerizada mediante un ácido

Ejemplo: Creación del pozo n • Se elimina el óxido descubierto con un ácido

Ejemplo: Creación del pozo n • Se elimina la resina sobrante mediante un ácido

Ejemplo: Creación del pozo n • Mediante difusión o implantación iónica se dopa el silicio descubierto con impurezas n formándose el pozo n.

Ejemplo: Creación del pozo n • Se retira el óxido de silicio

Creación de estructuras • Para la creación de estructuras mediante el proceso fotolitográfico, lo único que se necesita son las máscaras. • Máscaras de los pozos n • Máscaras de las difusiones • Máscaras del polisilicio • Etc... • Los programas de layout: editores de máscaras

Secuencia de creación de transistores • La creación de pozos n es el primer paso. • Lo siguiente es la creación de las puertas de los transistores. • Se hace crecer un óxido fino de alta calidad y se recubre todo con una capa de polysilicio

Secuencia de creación de transistores • Usando la máscara de polisilicio se elimina el polisilicio no deseado y el óxido de puerta de debajo (la máscara del polisilicio sirve para el óxido de puerta)

Secuencia de creación de transistores • Usando la máscara de difusiones n+, se crean las difusiones de los transistores (para el transistor nMOS, no hacen falta dos máscaras, el polisilicio impide el paso del material dopante)

Secuencia de creación de transistores • Usando la máscara de difusiones p+, se crean las difusiones de los transistores (para el transistor pMOS, no hacen falta dos máscaras, el polisilicio impide el paso del material dopante)

Secuencia de creación de transistores • Se cubre todo con óxido grueso

Secuencia de creación de transistores • Con la máscara de los contactos se crean agujeros en el óxido

Secuencia de creación de transistores • Se recubre todo con metal (Aluminio generalmente)

Secuencia de creación de transistores • Mediante la máscara de metal, se quita de donde no haga falta

Secuencia de creación de transistores • Dependiendo de la tecnología pueden existir varios niveles de metal: metal 1, metal 2, metal 3,... • Cuanto más grande es el número del metal, más lejos estará situado del sustrato. • También pueden existir varios niveles de polisilicio

Reglas de diseño • Las da el fabricante (un fichero con formato estándar) • Son dependientes de la tecnología empleada • El cumplimiento de las reglas de diseño asegura el funcionamiento del circuito incluso con los errores (tolerancias) de fabricación. • Desajuste en el posicionamiento de las máscaras • Suciedad • Tolerancias de los procesos • Ejemplos: • Anchura mínima de una pista de metal 1 • Separación mínima entre dos difusiones para asegurar que no entren en contacto tras la fabricación. • Tamaño mínimo de la puerta de un transistor • Dichas dimensiones pueden venir expresadas en micras, o en lambdas dependiendo de si la tecnología es escalable o no.

Microwind • Es un editor de máscaras • Permite el chequeo de las reglas de diseño • Permite la extracción de la netlist del circuito en formato SPICE • Capacidades parásitas debido al layout • Áreas de drenadores y fuentes de los transistores

Microwind • Recomendaciones muy importantes: • Usar la versión de la página web • Cargar el fichero de reglas de diseño adecuado: tsmc2p4m.rul • En todo momento debe aparecer el texto “TSMC 2P4M” en la parte inferior • Chequear las reglas de diseño en cada paso: • Guardar en cada paso realizado • Optimizar el área del layout ¿como? • Intentando pegar al máximo los elementos cumpliendo las reglas de diseño • Método de prueba y error

Microwind • La paleta: • En vez de seleccionar colores para pintar, se seleccionan capas • Empezando por la fila superior podemos encontrar: • Los contactos, compuestos de 3 elementos: • La capa inferior a conectar • La capa superior • La vía (el agujero en el óxido) • Transistores, resistencias, capacidades, etc.. • Las etiquetas: definiciones lógicas de señales, útiles para la extracción de la netlist. • Las capas, representadas mediante un color. • Las casillas marcadas junto a las capas indican: • Si está marcada: se puede trabajar con esta capa (ver, dibujar, borrar,...) • Si no está marcada: La capa está protegida, aparecerá como transparente en el layout

Microwind • Barra de botones: • Abrir un diseño • Guardar un diseño • Pintar • Borrar • Copiar • Estirar o Mover • Zoom • Zoom al diseño completo • Medir • Chequear reglas de diseño

Microwind • Generación de transistores: • Selección del tipo (n o p) • Selección de W y L • Genrate Device

Comentarios Finales • Los contactos sólo se usan para conectar capas que están a diferentes niveles. • El sustrato P es el fondo de color negro. • Para la realización de la práctica: • Para el paso 1: • Los transistores P del esquemático tienen su sustrato conectado a la misma tensión • El sustrato de un transistor P es su pozo n, por lo tanto ambos pozos deben estar conectados: Los pozos deben estar pegados o solapados • Para el paso 3: • Los transistores que genera Microwind vienen con las difusiones conectadas a metal 1: no hace falta añadir ningún contacto

Comentarios Finales • Cuestionario: • Q1: No redondeéis los resultados • Q2: El layout de los transistores es simétrico, al extraer la netlist MICROWIND puede haber elegido como drenador o fuente cualquiera de las dos difusiones. • Q3: • El área activa es el sumatorio de W*L de cada transistor • El área real es el área de un rectángulo imaginario que engloba TODO el layout.

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