Eugenio Di Gioia

Übung Integrierte Schaltungen

Eugenio Di Gioia

Organisatorisches• Termine:

• Themen dieser Übungen und auch der Hausaufgaben sind klausurrelevant

30.10.’09

20.11.’09

27.11.’09

11.12.’09

08.01.’10

22.01.’10

05.02.’10

Eugenio Di Gioia

Organisatorisches

• Hausaufgaben:– Bei Abgabe aller Aufgaben (komplett, d.h. alle Aufgaben

bearbeitet) und mindestens 66% korrekter Lösungen: 2 Bonuspunkte auf die Klausur bzw. Mündliche Prüfungsnote um 0,3 besser

– Aufgaben werden jeweils am Ende des Termins ausgegeben; Lösungen spätestens bis zum folgenden Termin abgeben

– Aufgabenblätter sind immer zum jeweiligen Termin auf der Institutsseite unter “Personen” – “Stephan Leuschner” – “Materialien zur UE Integrierte Schaltungen” zu finden

• Sprechstunde: Montags, 15 – 16 Uhr sowie nach Vereinbarung (Telefonnr. Bzw. Email-Adresse siehe Institutshomepage)

• http://mikro.ee.tu-berlin.de• http://www.meis.tu-berlin.de

Eugenio Di Gioia

Integrierte Schaltungen

• Herstellung einer integrierten Schaltung im CMOS Prozess (Beispiel: NMOS/PMOS)

• Integrierte R, L, C und Dioden im CMOS-Prozess

• Entwurf einer IC mit CAD-Software

(Beispiel: Cadence Suit)

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Herstellung einer integrierten Schaltung

Verfügbare Technologien:• Bipolar-Prozess (schneller, höhere Verstärkung, großer

Flächenbedarf, große Verlustleistung, geringere Ausbeute als CMOS)

• CMOS-Prozess (höhere Integration, weniger Verlustleistung, langsamer als Bipolaren)

• BiCMOS-Prozess (Vereint die Vorteile der Bipolar- und der CMOS-Technologie, die Herstellung ist aber um 10-20% teurer als mit einem reinen CMOS-Prozess)

• NMOS-Prozess (kleinerer Flächenbedarf als CMOS aber höhere Verlustleistung, heutzutage nicht mehr benutzt)

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Komplementär-Kanal-MOS-Technik (CMOS)

Sehr geringe Ruheverlustleistung in digitalen Schaltungen: es fließt nur ein geringer Strom im durchgeschalteten Zustand (Sperrstrom)

Sehr hohe Eingangsimpedanz, rein kapazitiv Herstellung: Das Polysilizium-Gate wirkt als Maske und

schützt das untere Gate-Oxide (Self-alignment der Source- und Drain-Diffusionen): sehr hohe Auflösung und Präzision

CMOS ist die ideale Technologie für sehr hohe Integration (VLSI).

Der heutige Marktanteil der CMOS Technologie beträgt über 75%

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Teil I

CMOS Prozess

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Monokristall-Seule (Si)

Wafer

Einzelne ChipsDurchmesser max. 30 cm

CMOS-Prozess

Bearbeiteter Wafer

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Lithographischer Prozess

Eine integrierte Schaltungen wird mittels verschiedener Schritte gefertigt:

• Belichtung durch verschiedene Masken• Dotierung• Chemisches Ätzen• Implantation/Diffusion• Auftragung/Aufdampfung• Behandlung mit hohen Temperaturen

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Einzelner Chip: „Die“

• Die einzelnen Chips werden nach dem lithographischen Prozess abgeschnitten

• Alle Chips sind in der Regel identisch: jeder ist eine integrierte Schaltung

Draufsicht Seitenansicht

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Maske (Glas)

Licht (UV) Wafer:

SUBSTRAT (Si) +

PHOTORESIST

Belichtetes PhotoresistGlas + Chrom

Lithographie

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UV

Maske

Chrom

Photoresist

Substrat (Si-p)

Belichtetes Photoresist

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Belichtung des Photoresists

• Die chemischen Eigenschaften des Photoresists werden durch die UV-Belichtung geändert

• Das belichtete Photoresist kann mit speziellen Lösungsmitteln entfernt werden

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SUB P

Si3N4

Aufdampfung Si3N4

Funktion: verhindert das Wachstum von SiO2

Eugenio Di Gioia

SUB P

Si3N4

Maske 1: Channel-Stop Öffnungen

(Isolation der Transistoren)

+ Ätzen des Si3N4

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SUB P

SiO2

Field Oxide Isolation (thermisches Wachstum, hohe Temperatur).

Si +O2→ SiO2, Si wird konsumiertAD NNN Effektive Substratdotierung

NUqC

UU SBFoSiOX

FFBT 221

2

P+

Trennung der einzelnen Transistoren:

Si3N4

P+ Channel Stop (Implantation)

Erhöht die Einsatzspannung der parasitären Transistoren

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Trennung der Transistoren: Field Oxide Isolation (FOX)

So genannte „Bird‘s Beaks“ entstehen, weil das Siliziumsoxid teilweise auch unter dem Si3N4 wächst. Dadurch ist die Breite des Transistors kleiner als die, die durch die Maske definiert wird

Bird‘s BeakSiO2Si3N4

Si-Bulk

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• Aufdampfung vom Si3N4

• Auftragung des Photoresists• UV-Belichtung

Trennung der Transistoren: Shallow Trench Isolation (STI)

Belichtetes Photoresist Nicht belichtetes Photoresist

Si3N4

Si-Bulk

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Trennung der Transistoren: Shallow Trench Isolation (STI)

• Chemisches Ätzen: nur das belichtete Photoresist löst sich auf• Das untere Substrat wird geätzt• Aufdampfung vom Siliziumsoxid

SiO2

Si-Bulk

Si3N4

Ätzen

Eugenio Di Gioia

SUB P

Selektives Ätzen des Si3N4: keine Maske wird gebraucht

Oxidwachstum auf der ganzen Fläche

Eugenio Di Gioia

SUB P

n-WellSiO2

Maske 2: N-Wanne ÖffnungN-Diffusion (Phosphor, Arsen)

Eugenio Di Gioia

SUB P

n-WellSiO2

Thermal Oxide Growth (Gate Oxide): ≈ 4 nmAuftragung des Polysiliziums: (Gate)

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SUB P

n-WellSiO2

Maske 3: Gate Definition

Eugenio Di Gioia

SUB P

n-WellSiO2

Maske 4: Schutzt den PMOS vor der n- Diffusion

Photoresist

n-Diffusion:

Self-alignment von Drain und source, das Poly-Gate wirkt als Maske

Eugenio Di Gioia

Photoresist

SUB P

n-WellSiO2

Maske 5: Schutzt den NMOS vor der p- Diffusion

p-Diffusion (Bor):

Self-alignment von Drain und source, das Poly-Gate wirkt als Maske

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SUB P

n-WellSiO2

OxidaufdampfungMaske 6: Eröffnung der Metallkontakte

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SUB P

Metal1 Beschichtung

n-WellSiO2

Mask 7: Metal 1 Definition

Eugenio Di Gioia

SUB P

Metal 2 Beschichtung

n-WellSiO2

Mask 9: Metal 2 DefinitionMask 8: Eröffnung der Vias

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Draufsicht und Querschnitt des CMOS-Inverters

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Package

Pins

Draht

Pad

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© AJHD

Packages

Flip Chip – Pin Grid Array

TQFP TEP Ball Grid Array

Source: National Semiconductor

Dual Inline PIN

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Teil II

Realisierung der Bauelemente (Standard CMOS)

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Integrierte Widerstände (1)

• Poly Widerstand

Resistivity (Ω/□): low

Thermal coefficient (ppm/°C): average

Voltage coefficient (ppm/V): low

Querschnitt Plan© Zsolt M. KOVÁCS VAJNA

© Zsolt M. KOVÁCS VAJNA

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Integrierte Widerstände (2)

© Franco Maloberti

• DiffusionswiderstandResistivity (Ω/□): averageTC (ppm/°C): lowVC (ppm/V): average

• Well-WiderstandResistivity (Ω/□): highTC (ppm/°C): highVC (ppm/V): highHohe Kapazität gegen Substrat

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Integrierte Kondensatoren

• Poly/Poly Term. Coeff: low

Volt. Coeff: low Parasitic Cap: average

• MOS (Poly/Diffusion)Term. Coeff: low

Volt. Coeff: high Parasitic Cap: high

• MIM (Metal/Metal)Term. Coeff: low Volt. Coeff: low Parasitic Cap: average/lowNachteil: Cap/µm2 low

© Zsolt M. KOVÁCS VAJNA

Metal2

Metal1SiO2

Si-p

SiO2

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Integrierte Spulen

• Die Kapazität gegen Substrat wird minimiert in dem man die obersten Metallschichten verwendet (z. B. Metal 6)

• Der parasitäre Serienwiderstand wird minimiert in dem man mehrere Metallschichten in parallel verwendet (z. B. Metal 4+5+6)

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InputPAD

DDV

ICESD-Schutz

pn

np

n-Well

n

Sub

DDV

InputPAD

DDV

n-Well

p

pn-diode

np-diode

Sub

Integrierter ESD-Schutz

Sub + n Diff

n-Wanne + p Diff

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DDV

LayoutQuerschnitt

Sub p-

N-Well

p+ p+ p+n+ n+

DDVDDV PAD

Sub p-

p+ p+

DDV

n

PAD

n n

nWell nWell

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Teil III

Entwurf einer integrierten Schaltung

Eugenio Di Gioia

• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer integrierten Schaltung

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer integrierten Schaltung

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Anforderungen (Analog IC)

• Verstärkung• Frequenzbereich• Rauschen• Linearität• Impedanzanpassung• Offset• Leistungsverbrauch• Chipfläche

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

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2

2

1DSDSTGS

OXnD UUUU

L

WCI

DS

OXn

GS

Dm U

L

WC

U

Ig

Rechnungen „per Hand“ Bsp.: MOS Gleichungen

22 TGSOXn

D UUL

WCI

Triode

Sättigung

Man schätzt VGS, VDS, gm, ro ab

TGSOXn

GS

Dm UU

L

WC

U

Ig

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

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Schematic

Schematische Zeichnung der Schaltung mit Symbolen, die die einzelnen Bauelemente darstellen (nMOS, pMOS, R, L, C, Dioden) und ihre Verbindungen. Anderenfalls kann man die Schaltung durch eine Text-Datei beschreiben (Netlist)

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Bsp: Schematic (CMOS Inverter)

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Bsp. Netlist (CMOS Inverter)simulator lang=spectreglobal 0include "/home/ams/ams_HK330/spectre/csx/mcparams.scs"include "/home/ams/ams_HK330/spectre/csx/cmos53.scs" section=cmostminclude "/home/ams/ams_HK330/spectre/csx/res.scs" section=restminclude "/home/ams/ams_HK330/spectre/csx/cap.scs" section=captminclude "/home/ams/ams_HK330/spectre/csx/bip.scs" section=biptm

I2 (net2 net11 0 0) modn w=10u l=0.3u as=1.1e-11 ad=1.1e-11 ps=12.2u \ pd=12.2u nrd=0.06 nrs=0.06 m=1I1 (net2 net11 net9 net9) modp w=25u l=0.3u as=2.75e-11 ad=2.75e-11 \ ps=27.2u pd=27.2u nrd=0.024 nrs=0.024 m=1V1 (net9 0) vsource dc=3.3 type=dcV0 (net11 0) vsource dc=1.6 type=sine ampl=10m freq=1GsimulatorOptions options reltol=100e-6 vabstol=1e-6 iabstol=1e-12 temp=27 \ tnom=27 homotopy=all limit=delta scalem=1.0 scale=1.0 \ compatible=spice2 gmin=1e-12 rforce=1 maxnotes=5 maxwarns=5 digits=5 \ cols=80 pivrel=1e-3 ckptclock=1800 sensfile="../psf/sens.output"tran tran stop=10n errpreset=conservative write="spectre.ic" \ writefinal="spectre.fc" annotate=status maxiters=5finalTimeOP info what=oppoint where=rawfilemodelParameter info what=models where=rawfileelement info what=inst where=rawfileoutputParameter info what=output where=rawfilesaveOptions options save=all currents=all useprobes=yes

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer integrierten Schaltung

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Simulation

• DC Operating Point (Arbeitspunkt)• DC sweep• AC (Kleinsignal)• Transient-Analyse• S-Parameter• Noise-Analyse (Rauschen)• Periodic Steady-state (Linearität)• Monte Carlo (Statistische Analyse)

Die Schaltung wird durch ein Modell simuliert, das die physikalischen Eigenschaften der einzelnen Bauelemente beschreibt. Das meistverwendete Modell ist das BSIM-Modell (Berkeley University). Mit dem Simulator kann man verschiedene Analysen durchführen:

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Bsp: Analog Artist (Transient-Analyse)

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

Eugenio Di Gioia

Layout

Der Designer verwendet verschiedene Layers die zur Verfügung stehen: Metal, Poly, Active, usw.

Er sieht die Draufsicht (in zwei Dimensionen) der IC

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Bsp: Layout eines CMOS-Inverters

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

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DRC/LVS/Extracted• DRC (Design Rules Checker): Kontrolliert, dass die Designregeln

erfüllt werden. Diese stellen sicher, dass einige unerwünschte Effekte nicht auftreten und dass die erwünschten Bauelemente korrekt funktionieren.

• LVS (Layout Versus Schematic): Verifiziert, dass die Bauelemente im Layout denen im Schematic entsprechen)

• Extracted: parasitäre Kapazitäten und Widerstände werden vom Layout extrahiert

Am Ende dieses Prozesses wird die Schaltung (jetzt mit Parasitics) wieder simuliert und kontrolliert, ob die Spezifikationen noch erfüllt sind.

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

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Prototypherstellung

• Layout -> GDS Text-Datei

• To the Foundry

• Nach ca. 2 Monaten → Chip

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung

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• Anforderungen • Rechnungen „per Hand“• Schematic (Composer)• Simulationen (Analog Artist)• Layout (Virtuoso)• DRC / LVS / Extracted• Prototypherstellung• Test/Messungen• Produktion

Entwurf einer Integrierten Schaltung