Aula 09 - Laboratório de Engenharia Elétrica

Microeletrônica
Germano Maioli Penello
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica%20_%202015-1.html
Sala 5145 (sala 17 do laboratorio de engenharia elétrica)
Aula 09
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Camadas de metal
As camadas de metal em um CI conecta os dispositivos (resistores,
capacitores, MOSFETs, ...) entre si. Analisaremos aqui apenas um processo
CMOS genérico com apenas duas camadas metálicas que chamaremos de
metal1 e metal2.
Os metais utilizados em CMOS são alumínio e cobre.
Analisaremos neste estudo das camadas de metal a área de solda (bonding
pad), capacitâncias associadas às camadas, crosstalk, resistência de folha e
eletromigração.
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Parasíticos associados ao metal
Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância
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Parasíticos associados ao metal
Resistência de folha - Resistência de contato - Capacitância
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Atraso de propagação intrínseco
Sem considerar os efeitos parasíticos, qual é o tempo de atraso de uma camada
de metal em um processo CMOS?
Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de
propagação por unidade de comprimento.
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Atraso de propagação intrínseco
Sem considerar os efeitos parasíticos, qual é o tempo de atraso de uma camada
de metal em um processo CMOS?
Determinar a velocidade de propagação no meio e conferir o tempo de
propagação por unidade de comprimento.
Utilizando o SiO2 como dielétrico com constante dielétrica ~4.
6.7 ps/mm < 28 ps/mm  efeitos parasíticos não podem ser desprezados!
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Capacitância parasítica entre
metal2 e metal1
Capacitância parasítica entre quadrados de 10x10 com l=50nm
Veja a tabela do slide 36
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Capacitância parasítica entre
metal2 e metal1
No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o
metal2 varia de 0 a 1V?
Capacitância entre o substrato e o metal1
(10x10)
(4x10)
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Capacitância parasítica entre
metal2 e metal1
No exemplo anterior, qual a variação de tensão no metal1 quando o
metal2 varia de 0 a 1V?
Capacitância entre o substrato e o metal1
Qual o circuito que reproduz o problema?
Substrato
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Limite de corrente
Um fator que limita a quantidade de corrente que pode passar pelo metal é
devido à eletromigração.
Sentido da corrente
-
+
Eletromigração – Aumento da resistência devido à corrente. (similar à
erosão fluvial.)
http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/elmat_en/kap_6/advanced/t6_4_2.html
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Limite de corrente
Tipicamente no Alumínio, JAL ~ mA/mm
Em geral os metais mais externos são usados para a alimentação do circuito.
Metal2 é normalmente duas vezes mais espesso que o metal1, por isso tem
uma resistência de folha menor.
Metal3 é mais espesso que o metal2
Metal4 é mais espesso que o metal3
…
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Regras de design para o metal
Usando a regra CMOSedu! E se utilizássemos a regra DEEP? Reveja aula 7.
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Regra de design
Dois quadrados
Retângulo
Ao desenhar máscaras,
esses dois desenhos são
equivalentes.
Dica: desenhar uma célula de via e
salvá-la facilita na hora de fazer o
design.
Note bem que o programa que estamos usando (Electric VLSI System Design) é
baseado em componentes (método de conectividade)! Essas dicas são para
programas em que cada uma das camadas (máscaras) têm que ser desenhadas
separadamente (método de geometria).
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Resistência de contato
Usaremos neste curso uma resistência de contato de 10W/contato
R = 10 W
R = 2.5 W
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Resistência de contato
Usaremos neste curso uma resistência de contato de 10W/contato
R = 10 W
R = 2.5 W
Regra padrão: corrente máxima no contato de 100 mA
O maior número de vias diminui efeitos de eletromigração
(Correntes menores passarão nas vias em paralelo).
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Crosstalk
Pode ser medido aplicando uma tensão degrau em um condutor e medindo a
tensão acoplada no outro condutor
Um sinal propagando em um condutor acopla com o outro condutor.
Im – corrente no condutor adjacente; VA – tensão de sinal
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Crosstalk
Incluindo a capacitância do substrato com os metais:
DV é a tensão no condutor adjacente e C1,sub é a capacitância entre o condutor
adjacente e o substrato
Esse resultado é obtido analisando duas capacitâncias em série:
VB
VA
isolante
FOX
Substrato
Q1 = Cm(VA-VB)
Q2 = C1,sub(Vb-0)
Onde VB = DV
Q2 = Q1
DV é a tensão de ruído acoplada no condutor adjacente.
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Crosstalk
As linhas metálicas também possuem uma indutância mútua, como se existisse
um transformador entre os dois condutores.
Indutância mútua:
IA é a corrente injetada que varia no tempo (sinal de entrada), Vm é a
tensão induzida (sinal de saída) e Lm é a indutância mútua.
O crosstalk pode ser reduzido se aumentarmos a distância dos condutores!
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Ground bounce - DC
Se o circuito exige
uma corrente DC de
50mA, a DDP no
circuito não é mais o
valor ideal de 1V!
Este problema pode ser resolvido aumentando a espessura do condutor (reduzindo
sua resistência). Note que VDD e o terra não têm valores fixos, eles dependem de
como o circuito é desenhado.
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Ground bounce - AC
É muito comum em CMOS
circuitos com baixíssima
dissipação (baixo
consumo de corrente), ex.
Calculadora de
alimentação solar. Nestes
casos, o problema do slide
anterior não é crítico.
Mas e se, num curto
período, a corrente vai a
50mA?
Podemos adicionar um
capacitor decoupling que
mantém a DDP do circuito.
Este capacitor deve ser inserido externamente ao circuito entre os pinos VDD e terra
do CI.
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Exemplo
dQ = I
dt
O valor do capacitor é razoavelmente alto.
21
Exemplo
22
Exemplo
23
Exemplo
270 pF não é um valor de capacitância que pode ser feita facilmente.
Se o circuito está rodando a 500MHz (período de 2ns),
Corrente alta para a saída de um CI
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Conclusões
A largura do metal é um ponto importante na hora de desenhar um circuito,
evitando ao máximo o efeito de ground bounce.
O número de vias interconectando camadas reduz a resistência de contato.
A proximidade dos condutores também afeta o circuito de uma maneira
indesejada.
Devemos sempre ter em mente esses pontos. Não podemos ignorar os efeitos
parasíticos se queremos projetar um circuito que funcione de acordo com as
especificações.
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 mm (depende
do processo)
Quais são as dimensões finais? E o espaçamento entre os pads?
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 mm (depende
do processo)
Regra de design: 30 mm de espaçamento entre os pads
6 mm de espaçamento entre o overglass e metal
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
Desejado: Tamanho do chip de 1 mm com o bonding pad de 100 mm (depende
do processo)
Mas não colocaremos pads nos cantos. Portanto, usaremos 6 pads
1040 mm ou 20800
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
O metal 1 está imediatamente
abaixo do metal 2 caso queiramos
conectar o pad com metal 1 ou 2.
Temos que fazer as vias entre os
metais. Colocamos as vias nos
cantos.
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
O metal 1 está imediatamente
abaixo do metal 2 caso queiramos
conectar o pad com metal 1 ou 2.
Temos que fazer as vias entre os
metais. Colocamos as vias nos
cantos.
Via
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Exemplos de leiaute
Processo de 50 nm com dois metais – leiaute de pad
1040 mm ou 20800
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Maximizando o perímetro e minimizando área. Serve para medir resistência de
folha (a) ou capacitância mútua (c). Por que não fazer uma trilha reta?
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Maximizando o perímetro e minimizando área. Serve para medir resistência de
folha (a) ou capacitância mútua (c). Por que não fazer uma trilha reta?
Limitação de tamanho!
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Maximizando área e minimizando perímetro. Ideal para medir capacitância de
placa e evitar a capacitância de borda.
Capacitância de borda é medida usando duas serpentinas, uma em cima da outra.
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Qual é melhor para medir resistência?
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Exemplos de leiaute
Estruturas de teste do metal
Estruturas de teste - Caracterizar resistência de folha, capacitância de
placas, capacitância de borda, capacitâncias mútuas, …
Maior resistência (# de quadrados),
mais fácil de medir.
Menor spreading de corrente
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Microscopia Eletrônica de
varreduta
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Exercícios
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Exercícios
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Exercícios
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