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

n+ n+

p

p+ p+

pozo n

G

D

S

B

D

B

S

G

S DG

B B SG

D

nMOS pMOS

Polysilicio

Óxido fino

n+

p+

Proceso de Fabricación

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

Die (dado)

Wafer (oblea)

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

p

p

p

Ejemplo: Creación del pozo n

Crecimiento de SiO2 (con O2 o H2O en un horno de oxidación)

p

p

SiO2

Ejemplo: Creación del pozo n

Se añade una capa de resina fotosensible

p

p

SiO2

Resinafotosensible

Ejemplo: Creación del pozo n

Mediante una máscara se aplica luz ultravioleta sobre la resina (la resina se polimeriza en contacto con la luz)

p

p

máscara

Resina polimerizada

Ejemplo: Creación del pozo n

Se elimina la resina polimerizada mediante un ácido

p

p

Ejemplo: Creación del pozo n

Se elimina el óxido descubierto con un ácido

p

p

p

Ejemplo: Creación del pozo n

Se elimina la resina sobrante mediante un ácido

p

p

p

Ejemplo: Creación del pozo n

Mediante difusión o implantación iónica se dopa el silicio descubierto con impurezas n formándose el pozo n.

p

p

pozo n

Ejemplo: Creación del pozo n

Se retira el óxido de silicio

p

p

pozo n

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

p

p

polisilicio

óxido fino

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)

p

p

polisilicio

óxido fino

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)

p

p

n+

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)

p

p

p+

Secuencia de creación de transistores

Se cubre todo con óxido grueso

p

SiO2

Secuencia de creación de transistores

Con la máscara de los contactos se crean agujeros en el óxido

p

SiO2

Secuencia de creación de transistores

Se recubre todo con metal (Aluminio generalmente)

p

Metal

Secuencia de creación de transistores

Mediante la máscara de metal, se quita de donde no haga falta

p

Metal

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

p

p

metal

SiO2 C

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.