FÖRELÄSNING 8. Översikt på mikrochipsteknologi. I/O-kretsar. Mikrochipstillverkning. Föreläsning 8

Relevanta dokument
FÖRELÄSNING 3. Förstärkaren. Arbetspunkten. Olika lastresistanser. Småsignalsschemat. Föreläsning 3

Grindar och transistorer

nmosfet och analoga kretsar

Olika sätt att bygga förstärkare. Differentialförstärkaren (översikt) Strömspegeln. Till sist: Operationsförstärkaren

Laboration 6. A/D- och D/A-omvandling. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

CMOS-inverteraren. CMOS-logik. Parasitiska kapacitanser. CMOS-variationer: Pseudo-NMOS och PTL

Digital IC konstruktion

Digital IC konstruktion

Digitalteknik EIT020. Lecture 15: Design av digitala kretsar

MOSFET:ens in- och utimpedanser. Småsignalsmodeller. Spänning- och strömstyrning. Stora signaler. MOSFET:ens högfrekvensegenskaper

Orientering i praktisk digital kretskonstruktion. Introduktion till ledningar i digitala system. Ledningsmodeller

Digital IC konstruktion

Digital IC konstruktion

Digital IC konstruktion

Föreläsning 11 Fälteffekttransistor II

Förstärkarens högfrekvensegenskaper. Återkoppling och stabilitet. Återkoppling och förstärkning/bandbredd. Operationsförstärkare.

Föreläsning 8. MOS transistorn. IE1202 Analog elektronik KTH/ICT/EKT HT09/BM

EEM076 ELEKTRISKA KRETSAR OCH FÄLT

Föreläsning 8. MOS transistorn Förstärkare med MOS transistorn Exempel, enkel förstärkare med MOS. IE1202 Analog elektronik KTH/ICT/EKT VT11/BM

Fördröjningsminimering vid buffring. ON-resistansen. Energiåtgång och effektförbrukning i CMOS. RAM-minnet

Digital IC konstruktion

Introduktion till halvledarteknik

IE1205 Digital Design: F3 : CMOS-kretsen, Implementeringsteknologier. Fredrik Jonsson KTH/ICT/ES

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

Ledningar med förluster. Förlustfria ledningar. Rum-tid-diagram. Bergerondiagram. Appendix: Härledning av Bergerondiagrammet

Design av digitala kretsar

Brus och Överhörning I Analog-Digitala System

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 2 Transistorn del 2

Elektronik 2017 EITA35

Digital- och datorteknik

Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV

Beskrivande uppgifter: I: Vad skiljer det linjära området och mättnadsområdet i termer av inversionskanal?

Vad är elektricitet?

Konstruktionsverktyg för radiofrekvenskretsar

Hambley avsnitt 12.7 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar) sann 1 falsk 0

Transistorn en omkopplare utan rörliga delar

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Moores lag vid vägs ände efter 50 år?

Vad är elektricitet?

Elektronik. MOS-transistorn. Översikt. Då och nu. MOS-teknologi. Lite historik nmosfet Arbetsområden pmosfet CMOS-inverterare NOR- och NAND-grindar

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Digital IC konstruktion

Digital Design IE1204

( y) ( L) Beräkning av ström nmos: Lång kanal (L g >1µm) di dy. Oxid U GS U DS. Kanal. 0<U cs (y)<u DS. Lös med:

Elektronik 2018 EITA35

Kombinationskretsar. Föreläsning 4 Digitalteknik Mattias Krysander Institutionen för systemteknik

Tentamen i Digital Design

Föreläsning 12 Bipolära Transistorer II. Funk<on bipolär transistor

Elektronik. Dataomvandlare

Avkoppla rätt en kvantitativ undersökning av parasitinduktans hos olika layoutalternativ

IE1204 Digital Design

Digital Design IE1204

Elektronik Dataomvandlare

TSTE93 Analog konstruktion

F1: Introduktion Digitalkonstruktion II, 4p. Digital IC konstruktion. Integrerad krets. System. Algorithm - Architecture. Arithmetic X 2.

Föreläsning 13 Fälteffekttransistor III

Föreläsning 4/11. Lite om logiska operationer. Hambley avsnitt 12.7, 14.1 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar)

5:2 Digitalteknik Boolesk algebra. Inledning OCH-funktionen

Digitala projekt rapport

ESD ElektroStatic Discharge (elektrostatisk urladdning) är oftast en trestegsprocess:

F9: Minne. Sammansättning av minnesgrupper Ansluta minne till Interface till olika typer av minnen Användningsområden.

Nanoelektronik. FAFA10 Kvantfenomen och nanostrukturer HT Martin Magnusson.

Du har följande material: 1 Kopplingsdäck 2 LM339 4 komparatorer i vardera kapsel. ( ELFA art.nr datablad finns )

Digital och Datorteknik EDA /2011. EDA 451 Digital och datorteknik 2010/2011. Uppbyggnad_och_funktion.pdf

12. Kort om modern halvledarteknologi

12. Kort om modern halvledarteknologi

Vad är KiselGermanium?

Laborationshandledning

Utredande uppgifter: I: Beskriv de fyra arbetsmoderna för en npn-transistor. II: Vad är orsaken till strömförstärkningen i normal mod?

Föreläsning 9 Bipolära Transistorer II

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 3 Transistorförstärkare

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. Exempeltentamen

Tentamen i komponentfysik

TSTE93 Analog konstruktion

TSTE20 Elektronik 01/31/ :24. Nodanalys metod. Nodanalys, exempel. Dagens föreläsning. 0. Förenkla schemat 1. Eliminera ensamma spänningskällor

Kapacitansmätning av MOS-struktur

Digital- och datorteknik

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 1 Transistorn del 1

I: Beskriv strömmarna i en npn-transistor i normal mod i de neutrala delarna av transistorn.

Tentamen i Elektronik för E (del 2), ESS010, 11 januari 2013

Pla$kondensator - Fälteffekt

Elektronik Dataomvandlare

Översikt, kursinnehåll

D/A- och A/D-omvandlarmodul MOD687-31

F9: Minne. Minneskonfiguration. Sammansättning av minnesgrupper Ansluta minne till Interface till olika typer av minnen Användningsområden

Formelsamling för komponentfysik. eller I = G U = σ A U L Småsignalresistans: R = du di. där: σ = 1 ρ ; = N D + p n 0

Digital elektronik CL0090

Digital- och datorteknik

Föreläsning 2 - Halvledare

Digital IC konstruktion

Repetition: Nätanalys för AC. Repetition: Elektricitetslära. Repetition: Halvledarkomponenterna

Laboration 5. Temperaturmätning med analog givare. Tekniska gränssnitt 7,5 p. Förutsättningar: Uppgift: Temperatur:+22 C

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

Ett urval D/A- och A/D-omvandlare

Laboration D151. Kombinatoriska kretsar, HCMOS. Namn: Datum: Epostadr: Kurs:

Metalldetektorn. Alla förluster (även virvelströmsförluster. metaller) sammanfattas av symbolen r! Järnföremål. även L!

Föreläsning 7 Fälteffek1ransistor IV

INNEHÅLL. Inledning...1. Talsystem...2. Logiska funktioner Logiska kretsar i praktiken Elektrostatisk urladdning (ESD)...

Digital- och datorteknik, , Per Larsson-Edefors Sida 1

Transkript:

FÖRELÄSNING 8 Översikt på mikrochipsteknologi I/O-kretsar Mikrochipstillverkning Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 1(37)

Översikt på mikrochipsteknologi (S&S4+5 Appendix A) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 2(37)

ETT MIKROCHIPS I EN KAPSEL Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 3(37)

MIKROCHIPSET RF-elektronik Dataomvandlare Klockgenerering Kraftförsörjning Kontrollenhet ALU Databuss Instruktionsbuss Minne Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 4(37)

DVB-MOTTAGARE (A+D) RESP. XEON-PROCESSOR (D) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 5(37)

VAD FINNS OMBORD CHIPSET? Digitala kretsar... - logik, aritmetik, muxar, tillståndsmaskiner, bussar, etc. Minnen. Analoga kretsar... - förstärkare, RF-elektronik, klockgenerering, etc. A/D och D/A omvandlare. I/O kretsar. Sensorer, givare, spänningsregulatorer/konverterare... Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 6(37)

VAD MER FINNS OMBORD CHIPSET? Man förknippar konstruktion med att definiera funktionalitet och sedan implementera den. Ett exempel är logikkonstruktion, utgående från Booleska uttryck, som avslutas med ett grindnät. Det finns dock andra aspekter på konstruktion som är lika, om inte mer, utmanande: Klocksignaler... - hur ska man skapa och distribuera flera klockor i MHz/GHz-regionen, så att kretsar är synkront arbetande? Matningsspänning (kraftförsörjning)... - hur levererar man (flera) matningsspänningar till olika punkter i en konstruktion? Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 7(37)

ELEKTRONIKKONSTRUKTION Vid all elektronikkonstruktion arbetar man med scheman som innehåller dels komponenter som transistorer, dioder, resistanser, kapacitanser, etc. och dels innehåller ledningar som ansluter komponenterna. Naturen är dock inrättad så att det tillkommer detaljer i vår ideala bild av kopplingsscheman med rena ledningar och rena komponenter: Vi kallar ofta de icke-ideala bidrag från komponenter och ledningar för parasitiska egenskaper... - kapacitiva och resistiva parasiter från ledningar dominerar. - kapacitanser som finns i transistorer är inte parasiter i egentlig mening, men de brukar nämnas i samma andetag. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 8(37)

I/O-kretsar Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 9(37)

PADDAR OCH PINNAR DC eller låga hastigheter Höga hastigheter och/eller kraftförsörjning (stämmer detta med diskreta kapslar?) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 10(37)

ANSLUTNINGSÖAR - PADDAR Vi ska ta upp ett speciellt kretsblock på denna föreläsning, eftersom vi ändå talar om hur chipset är uppbyggt: En I/O-krets som kallas pad. Padden är först och främst en kontaktyta (ca 100 100 µm 2 ) på chipset för ledningen (= bondtråd) / bollen (= C4) som ansluter till kapseln: - Paddar för matningsspänning och jord: Dessa är enbart plattor av metall, och saknar helt transistorer/dioder/resistanser. - Ingångspaddar: Kräver skydd mot ESD (ElectroStatic Discharges). - Utgångspaddar: Kräver förstärkning av signaler för att orka driva laster utanför chipset (lastkapacitansen 2-50 pf). Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 11(37)

ESD-SKYDD FÖR INGÅNGSPAD off chip Stora skyddsdioder (clamping diodes) Små skyddsdioder on chip Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 12(37)

PAD-EXEMPEL (0,8UM) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 13(37)

FLER PAD-EXEMPEL (0,35UM) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 14(37)

Mikrochipstillverkning (S&S4+5 Appendix A) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 15(37)

EXEMPEL PÅ CMOS PROCESS (GENOMSKÄRNING) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 16(37)

EN ENKEL CMOS-INVERTERARE polykisel Al n + n + p + N-well p + p - P-substrat Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 17(37)

SKISS PÅ EN NMOS SiO 2 L eff = L - 2 L n + n + p-si L L eff L Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 18(37)

FORTARE = BÄTTRE (?) 1. Vi vill skala ned längden på transistorkanalen för att - få plats med fler transistorer per chips. - kunna använda en högre klockfrekvens (minns du f T från Fö 4?). 2. Antag att vi nu fått fler transistorer ( högre C) och högre klockfrekvens (f). 2 För att effektförbrukningen P f C V DD inte ska öka för mycket måste vi reducera matningsspänningen V DD. 3. En reducerad matningsspänning ökar grindfördröjningarna t d, ty t d V DD V DD V T, såvida inte tröskelspänningen reduceras proportionellt mot V DD. ( ) α Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 19(37)

GENERATIONER AV INTEGRATION 1961-1966 - 1971-1980 - 1990-2000 - SSI MSI LSI VLSI < 30 30-1k 1k - 100k 100k - 10M 10M - 1G > 1G EGENSKAP 2004 2007 2010 2012 2016 Teknologinod (nm) 90 65 45 35 22 Antal transistorer 193M 453M 1,5G 2,4G 6,2G Effekt (W) 158 189 218 240 288 Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 20(37)

AKTIV EFFEKT VERSUS LÄCKAGE Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 21(37)

EFFEKTDENSITET (+ PROJICERAD) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 22(37)

KRETSSTRUKTUREN CMOS Complementary MOS introduceras 1963 Skäl till framgång: Ingen effektförbrukning! Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 23(37)

NMOS OCH PMOS För att skapa en NMOS, måste substratet vara av p-typ n p n För att skapa en PMOS, måste substratet vara av n-typ p n p Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 24(37)

EN TWIN-WELL CMOS-PROCESS n + n + p + p + p n n + betyder att området är kraftigt dopat, medan n är normaldopat och n - är svagt dopat. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 25(37)

TYPISK TILLVERKNING 1(7) Fotoresist Si 3 N 4 SiO 2 Oxidation deponering av Si 3 N 4 samt resist redo för exponering Exponering med mask borttagning av exponerad resist etsning av nitrid borttagning av återstående resist Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 26(37)

TYPISK TILLVERKNING 2(7) Växer fältoxid (LOCOS process: 90 min @ 1000 i H 2 O, växer 0,5 µm) Nitriden förebygger oxidation p Resist (kvar efter mask + exponering) blockerar implantering av bor, så att en P-well skapas där boret tränger in Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 27(37)

TYPISK TILLVERKNING 3(7) p n Resist blockerar implantering av fosfor, så att en N-well skapas där fosforn tränger in p n En höjning av temperaturen ( drive-in ) ser till att well-områdena expanderar och att gitterskador läks (4-6 h @ 1000-1100 ) Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 28(37)

TYPISK TILLVERKNING 4(7) p n En resist ser till att tröskelspänningen kan justeras för P-wellen, genom en extra implantering i denna well p n En resist ser till att tröskelspänningen kan justeras för N-wellen, genom en extra implantering i denna well Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 29(37)

TYPISK TILLVERKNING 5(7) p n Den tunna oxiden tas bort och ersätts med en ny gateoxid, typiskt sett 50-100 Å tjock (1-2 h @ 800 i O 2 ) p n 0,5-µm tjock polykisel deponeras med CVD teknik omaskat implanteras fosfor eller arsenik vilket dopar polykislet Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 30(37)

TYPISK TILLVERKNING 6(7) p n En resist skyddar gatarna varefter det oskyddade polykislet etsas bort p n Resisten på gatarna tas bort en resist skyddar N-wellen NMOS transistorn skapas genom implantering av fosfor Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 31(37)

TYPISK TILLVERKNING 7(7) p n Resisten på N-wellen tas bort resist skyddar P-wellen PMOS transistorn skapas genom implantering av bor n + p + p n En sista drive-in fastställer utseendet på transistorerna och läker gitterskador Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 32(37)

MODERN METALLSTRUKTUR C = ε w ------- t oxid Inter-Layer Dielectric (ILD) Lågt ε ger låga kapacitanser! Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 33(37)

PROCESS - TILLVERKNING AV METALLAGER Kopparprocess Väx oxid Deponera metall i hålrummen Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 34(37)

DUAL DAMASCENE PROCESSEN För metallager För kontakt mellan metallager Väx oxid i två olika etapper... 1. för kontaktering av nedanliggande metallager. 2. för definition av metallager. Deponera metall i en enda etapp, både för kontakter och metallager. Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 35(37)

BIPOLÄR (NPN) TRANSISTOR I CMOS-PROCESS n + C n + E p - p + B n - n + p - -substrat Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 36(37)

KAPACITANSER I EN CMOS-PROCESS + Stabila, - Små C (för analogt) + Högt C, - Beror av V (för digitalt, t.ex. avkoppling) V DD V SS n/p n/p n/p n/p n - Per Larsson-Edefors, Chalmers tekniska högskola EDA351 Kretselektronik 37(37)