Einführung in CMOS Technologie

Grundlagen der Technischen Informatik
Einführung in CMOS-Technologie
Kapitel 7.2
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Teich
Lehrstuhl für Hardware-Software-Co-Design
Grundlagen der Technischen Informatik
Abstraktionsebenen
SYSTEM-Ebene
MODUL-/RT-Ebene (Register-Transfer)
+
Logik-/GATTER-Ebene
Transistorebene
Halbleiter
G
S
n+
Grundlagen der Technischen Informatik
2
D
n+
?
Diode
VD
VD
• Diode ermöglicht nur einen Stromfluss von VD (p) zur
Masse (n)
• Gleichung ID beschreibt das Strom-Spannungsverhalten der
Diode in Abhängigkeit von VD
ID = IS (eVD / VT -1)
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Planartechnik – PN-Übergang
Löcherdiffusion
Diffusion:
Sowohl Elektronen
als auch Löcher
wandern
in die p- bzw. n-Gebiete
Elektronendiffusion
p
(a) Stromfluss
n
Löcherdrift
Elektronendrift
Ladungsdichte r
x
+
E-Feld x
Drift:
Durch
das Wandern
der Ladungen
Potential V
entsteht
ein elektrisches Feld,
das der Diffusion
-W1
W2
entgegenwirkt
 Gleichgewicht zwischen der Diffusion und Drift
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(b) Ladungsdichte
Distance
x
y0
x
(c) Elektrisches Feld
Aufbau einer Diode
Anode
Kathode
B
A
Al
SiO2
p
n
Querschnitt eines pn-Kontaktes in einem IC-Prozess
A
A
Al
p
n
B
Diodensymbol
B
Eindimensionale Darstellung
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Aufbau eines MOS-Feldeffekttransistors (MOS-FET)
• Querschnitt eines NMOS-Transistors:
Gateoxyd
Gate
Source
n+
Polysilizium
p-Substrat
Drain
Siliziumoxyd
(SiO2)
n+
p+
 MOS-FETs werden meist in Digitalschaltungen eingesetzt
 Der Strom durch den MOS-FET fließt in lateraler Richtung
 Das Gate dient als Schalter  aktiviert den Kanal zwischen Source und Drain
 angelegte positive Spannung: zieht Elektronen an und verdrängt Löcher
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Der MOS-Transistor
|VGS|
• Schaltmodell:
Gate
Source
n+
Drain
VGS
n+
p-Substrat
p+
RON
|VGS| < |VT |
|VGS| > |VT |
• Im nicht leitenden Zustand, d.h. für |VGS|<|VT| gilt: MOS-Transistor wird zu
einem geöffneten Schalter
 Widerstand mit sehr hoher Impedanz, der Stromfluss behindert
• Im leitenden Zustand, d.h. für |VGS|>|VT| gilt: MOS-Transistor wird zu einem
geschlossener Schalter
 Widerstand mit einer sehr geringen Impedanz, der Stromfluss verstärkt
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MOS-Technologie
• Querschnitt der CMOS-Materialschichten
(Complementary MOS)
Schaltsymbole
D
G
D
G
S
NMOS
[Fig. 0]
• Man unterscheidet zwei grundsätzliche MOS- Transistortypen
 NMOS- und PMOS-Transistoren
• In der CMOS-Technologie werden beide Typen in jeweils
komplementären Netzen eingesetzt
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S
PMOS
CMOS: Prozess-Entwurfsregeln (Design Rules)
• Schnittstelle:
Designer / Technologen  Regeln für Prozessmasken
• Einheitengröße:
veränderbare Designparameter  Lambda
oder: in absoluten Größen (Mikrometer, bspw. 0,13 m)
Layer
Color
Well (p,n)
Active Area (n+,p+)
Select (p+,n+)
Polysilicon
Metal1
Metal2
Contact To Poly
Contact To Diffusion
Via
Yellow
Green
Green
Red
Blue
Magenta
Black
Black
Black
Representation
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CMOS: Prozess-Entwurfsregeln
• Abstände und Ausmaße unterschiedlicher Materialien
Gleiche Potentiale
0
or
6
Well
Unterschiedliche Potentiale
2
9
Polysilizium
2
10
3
Metall1
Contact
or Via
Hole
2
3
2
3
Active
4
Metall2
3
3
Grundlagen der Technischen Informatik
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CMOS: Prozess-Entwurfsregeln
•
CMOS-Inverterlayout:
VDD
p-doped silicon substrate
[Fig. 0]
GND
In
Out
In
VDD
A
A’
Out
GND
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CMOS: Prozess-Entwurfsregeln
– Kein Energieverbrauch in festem Schaltzustand
– Stromfluss nur während der Schaltvorgänge
– Symmetrisches Schaltverhalten: Gleiche Anstiegs- und
Fallzeiten bei geeigneter Transistordimensionierung
A
A’
p-Substrat
n
+
n
p
+
Querschnitt entlang A-A’
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Feldoxyd
CMOS-Technologie
• Fortgeschrittene Metallisierung
über mehrere Metallebenen
Links im Bild ist ein 3-Metall-LayerDesign dargestellt
Bei .25µm-Technologien sind bis zu 5
Metall-Schichten möglich
Heute benutzt man bei aktuellen
Technologien >8 Metallschichten
[Fig. 1]
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Abbildungsverzeichnis
• [Fig. 0] LDD‐MOS‐Transistor mit STI. Von Cepheiden, Wikimedia Commons, lizensiert
durch CC BY‐SA 3.0, URL: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10248327
• [Fig. 1] Silicon chip 3d. By David Carron, Wikimedia Commons., Public Domain, URL: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3699071 Grundlagen der Technischen Informatik
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