ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Τεχνολογίες ολοκληρωμένων κυκλωμάτων» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤΗΜΜΥ
Σκοπός διάλεξης Γνωριμία κυρίως με τη MOS και τη διπολική τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (αναφορά στην BiCMOS) Διεργασία κατασκευής (γιατί πρέπει να την γνωρίζουμε) Διάδοση τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Σύνολο περιορισμών που επηρεάζουν τον σχεδιασμό και την επιλογή του κυκλώματος ΤΗΜΜΥ - 2
Βασικές διεργασίες Διάχυση στερεάς κατάσταση Λιθογραφία Επιταξιακή ανάπτυξη Εμφύτευση ιόντων Επιλεκτική οξείδωση Εναπόθεση πολυπυριτίου ΤΗΜΜΥ - 3
Η βάση Μια λεπτή φέτα πυριτίου που ονομάζεται δισκίο (wafer) Προσθήκη μικρών συγκεντρώσεων πρόσμιξης τύπου p ή τύπου n νόθευση (doping) ΤΗΜΜΥ - 4
Ειδική αντίσταση και ευκινησία Που εμφανίζεται η κινητικότητα; Θυμηθείτε: K 1 2 n C OX W L σε nmos ΤΗΜΜΥ - 5
Φωτολιθογραφία Σχηματισμός διοξειδίου του πυριτίου- περιβάλλον οξείδωσης Το δείγμα καλύπτεται από φωτοευαίσθητο υλικό (φωτοαντιδραστικό) Χάραξη του οξειδίου (υδροφθορικό οξύ) Αφαίρεση φωτοαντιδραστικού Προ-εναπόθεση διάχυση (σχηματισμός περιοχών p) ΤΗΜΜΥ - 6
Πλεονεκτήματα φωτολιθογραφίας Η φωτολιθογραφία έχει τη δυνατότητα να καθορίσει έναν μεγάλο αριθμό συσκευών στην επιφάνεια του δείγματος Όλες αυτές οι συσκευές κατασκευάζονται την ίδια στιγμή Το κόστος επιμερίζεται σε όλες τις συσκευές (χιλιάδες) Οικονομικό πλεονέκτημα ΤΗΜΜΥ - 7
Προ-εναπόθεση και διάχυση Το δείγμα εκτίθεται σε υψηλή θερμοκρασία περίπου 1100 ο C για περίπου 1 ώρα όπου οι προσμίξεις διαχέονται μέσα στο δείγμα. Αρχική τοποθέτηση ατόμων του δότη (συνήθως βόριο) στην επιφάνεια του πυριτίου (προεναπόθεση). ΤΗΜΜΥ - 8
Στρώμα διάχυσης Το στρώμα που δημιουργείται μετά τη διάχυση κοντά στη επιφάνεια Αντίσταση φύλλου R ΤΗΜΜΥ - 9
Επιταξιακή ανάπτυξη Εμφύτευση - Οξείδωση Το Epitaxial layer χρησιμοποιείται ως ένα λιγότερο νοθευμένο επίπεδο σε σχέση με αυτό που βρίσκεται από κάτω. Στα διπολικά τρανζίστορ χρησιμοποιούμε n-epitaxial layers. Εμφύτευση ιόντων: απευθείας εισαγωγή ατόμων πρόσμιξης ένα δίσκο πυριτίου (ακρίβεια και ομοιομορφία σε σχέση με τη διάχυση). Τοπική οξείδωση: Λεπτό στρώμα διοξειδίου (περιοχές ενεργών συσκευών) παχύ στρώμα διοξειδίου (απομόνωση) ΤΗΜΜΥ - 10
Το Πολυκρυσταλικό πυρίτιο αποτελείται από πολλούς μικρούς κρυστάλλους πυριτίου. Εναποτίθεται στο δισκίο και οποίο μπορεί να λειτουργήσει ως: ηλεκτρόδιο της πύλης στα MOS τρανζίστορ, εκπομπός στα διπολικά, οπλισμός πυκνωτών, αντιστάτης, τηκόμενη ασφάλεια, στρώμα διασύνδεσης. Εναπόθεση πολυπυριτίου ΤΗΜΜΥ - 11
Προηγμένη κατασκευή διπολικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων n + Το πρώτο βήμα οδηγεί στον σχηματισμό με εμφύτευση ενός ισχυρά νοθευμένου θαμμένου στρώματος n + σε υπόστρωμα τύπου p. Στη συνέχεια αναπτύσσεται ένα λεπτό επιταξικό στρώμα τύπου n. n + Εκτελείται ένα βήμα οξείδωσης αφού πρώτα χαραχθεί και απομακρυνθεί το πυρίτιο από τις περιοχές που θα αναπτυχθεί το οξείδιο. n + Εμφύτευση ισχυρά νοθευμένου n + στην περιοχή επαφής του συλλέκτη που διαχέεται μέχρι το θαμμένο στρώμα. Εμφύτευση τύπου p για τη δημιουργία της βάσης. ΤΗΜΜΥ - 12
Προηγμένη κατασκευή διπολικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Εναποτίθεται n + νοθευμένο σώμα πολύπυριτίου το οποίο στη συνέχεια διαχέεται προς το κρυσταλλικό πυρίτιο σχηματίζοντας τον εκπομπό. Εμφύτευση ισχυρά νοθευμένου στρώματος τύπου-p σε όλα τα σημεία εκτός από τον χώρο κάτω από το πολυπυρίτιο (φυσική μάσκα). Επιμετάλλωση κάλυψη με silicide (μείγμα πυριτίου με ακατέργαστο μέταλλο βολφράμιο) για να μειωθεί η αντίσταση σε σειρά και η αντίσταση επαφής. Χρήση Epitaxial layer Χαμηλή συγκέντρωση πρόσμιξης στην επαφή συλλέκτη-βάσης (υψηλή τάση κατάρρευσης) υψηλή συγκέντρωση κάτω από την επαφή συλλέκτη (χαμηλή αντίσταση). ΤΗΜΜΥ - 13
Τρανζίστορ npn ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ΤΗΜΜΥ - 14
Τρανζίστορ pnp ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ΤΗΜΜΥ - 15
Αντιστάτες σε διπολική τεχνολογία Αντιστάτες περιορισμού Αντιστάτες διάχυσης ΤΗΜΜΥ - 16
Αντιστάτες σε διπολική τεχνολογία Επιταξικός αντιστάτης ΤΗΜΜΥ - 17
Πυκνωτές MOS (Metal-Oxide 1 -Silicon) σε διπολική τεχνολογία 1 Silicon Dioxide Πυκνωτής μεταξύ του αλουμινίου και της διάχυσης εκπομπού 0.3 έως 0.5 ff/μm 2 με τάση κατάρρευσης 60 έως 100V διάχυση εκπομπού ΤΗΜΜΥ - 18
Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων MOS Δημιουργία πηγαδιού με υλικό αντίθετου τύπου πρόσμιξης όπου θα σχηματιστεί η συμπληρωματική συσκευή. Χρησιμοποιείται νιτρίδιο του πυριτίου και τοπική οξείδωση για τη δημιουργία λεπτού στρώματος διοξειδίου (περιοχές ενεργών συσκευών) και εκτεταμένου στρώματος διοξειδίου (απομόνωση). Πρόσθετη εμφύτευση ιόντων που αυξάνει τις συγκεντρώσεις των επιφανειών που δεν καλύπτονται από το νιτρίδιο. Οξείδωση. Εμφύτευση για τη ρύθμιση των επιφανειών που θα αποτελέσουν τα κανάλια. Εναπόθεση πολυπυριτίου για τον ορισμό των πυλών. Θαμμένη επαφή. ΤΗΜΜΥ - 19
Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων MOS Απομάκρυνση του οξειδίου από τις περιοχές πηγής και απαγωγού. Αρσενικό ή φώσφορος εισάγεται σε αυτές τις περιοχές των συσκευών καναλιού n και βόριο στις αντίστοιχες των συσκευών καναλιού p. Επιμετάλλωση. ΤΗΜΜΥ - 20
n-channel transistors MOS technology Η διάσταση της πύλης που σχεδιάζεται πραγματικά στη μάσκα κατά τη διεύθυνση που είναι παράλληλη με τη ροή του ρεύματος ονομάζεται μήκος σχεδίασης καναλιού L drwn. Η τιμή αυτή είναι πολύ σημαντική αναφέρεται συνήθως στο όνομα της τεχνολογίας π.χ. TSMC 90nm CMOS, TSMC 65 nm CMOS. Γα να βρούμε το πραγματικό μήκος του καναλιού πρέπει να αφαιρέσουμε το τμήμα των πλευρικών διαχύσεων της πηγής και του απαγωγού L = L drwn 2L d. Για να υπολογίσουμε στη συνέχεια το πραγματικό ενεργό μήκος πρέπει να αφαιρέσουμε το πλάτος της περιοχής απογύμνωσης L eff = L drwn 2L d Χ d. Η αντίσταση εξόδου του transistor από την οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό η απόδοση των αναλογικών κυκλωμάτων είναι αντιστρόφως ανάλογη του ενεργού μήκους του καναλιού. Η ενδογενής χωρητικότητα G-S στην ενεργό περιοχή είναι: C gs =(2/3)WL eff C ox Η χωρητικότητα επικάλυψης G-S & G-D είναι: C ol =WL d C ox Η συνολική χωρητικότητα μεταξύ G και D στην ενεργό περιοχή είναι η C ol Με παρόμοιο τρόπο κατασκευάζονται και τα p-channel devices. ΤΗΜΜΥ - 21
διπολικά transistors MOS technology Οι standard CMOS τεχνολογίες περιλαμβάνουν διπολικά transistor των οποίων ο συλλέκτης συνδέεται με το υπόστρωμα (α). Ιδιαίτερα χρήσιμα σε στάδια εξόδου και σε κυκλώματα δημιουργίας τάσεων αναφοράς. Επιπλέον δομή διπολικού transistor της οποίας ο συλλέκτης δεν συνδέεται με το υπόστρωμα (b). Σχηματίζεται ένα κάθετο και ένα πλευρικό transistor. (c) Σύμβολο των διπολικών transistor του (b) ΤΗΜΜΥ - 22
Αντιστάτες διάχυσης: Παρόμοιες ιδιότητες με αυτές της διπολικής τεχνολογίας Αντιστάτες πολυπυριτίου: 20Ω/ έως 80Ω/ Αντιστάτες πηγαδιού: 10kΩ/ Αντιστάτες MOS technology Συσκευές MOS ως αντιστάτες: Πόλωση στην τρίοδο ΤΗΜΜΥ - 23
Πυκνωτές πολυπυριτίου-πολυπυριτίου Πολύ γραμμικοί πυκνωτές Συσκευές MOS ως πυκνωτές Πόλωση στην περιοχή τριόδου, Top plate: gate, Bottom plate: source, drain και κανάλι. Πυκνωτές ΜΟΜ Metal-Oxide-Metal Πυκνωτές MOS & CMOS technology Πυκνωτές ΜΙΜ Metal-Insulator-Metal ΤΗΜΜΥ - 24
Πυκνωτές Τρανζίστορ MOS ως πυκνωτές C AC A ox max ox tox t ox :πάχος του οξειδίου ε ox : ηλεκτρική διαπερατότητα του οξειδίου (3.9ε o ). ε o η ηλεκτρική διαπερατότητα του κενού (ε o = 8.854x10-14 Fcm -1 ). Οι περιοχές περιγράφονται από το τι συμβαίνει στην επιφάνεια του ημιαγωγού: Accumulation: φορείς του ίδιου τύπου με αυτούς του σώματος συσσωρεύονται στην επιφάνεια Depletion : Η επιφάνεια στερείται οποιουδήποτε τύπου φορέων Inversion: Φορείς του αντίθετου τύπου από αυτούς του σώματος συγκεντρώνονται την επιφάνεια και αντιστρέφουν τον τύπο της αγωγής. Οι δύο τάσεις που οριοθετούν αυτές τις περιοχές είναι: Flatband Voltage (V FB ) που ξεχωρίζει την περιοχή accumulation από την depletion και, Threshold Voltage (V TH ) που ξεχωρίζει την περιοχή depletion από την inversion. ΤΗΜΜΥ - 25
Πηνία MOS & CMOS technology ΤΗΜΜΥ - 26
Τεχνολογία BiCMOS Οι διπολικές και οι CMOS τεχνολογίες εμφανίζουν πλέον ομοιότητες και είναι εφικτός ο συνδυασμός διπολικών τρανζίστορ με τις συσκευές CMOS. Πλεονεκτήματα στην ανάπτυξη ψηφιακών εφαρμογών Υψηλή ικανότητα παροχής ρεύματος (bipolar) Πλεονεκτήματα στην ανάπτυξη αναλογικών εφαρμογών Δυνατότητα χρήσης και των δύο συσκευών ΤΗΜΜΥ - 27
Απόδοση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Y ws = 0 Y ws = 10/16 = 62% Το ποσοστό των κυκλωμάτων τα οποία είναι ηλεκτρικά λειτουργικά και σύμφωνα με τις προδιαγραφές ονομάζεται απόδοση διαλογής δισκίου (wafer-sort yield) [10-90%] Για ένα δεδομένο μέγεθος ψηφίδας (die) η απόδοση εξαρτάται: Από την πολυπλοκότητα της διεργασίας ανάπτυξης, τη φύση των ξεχωριστών βημάτων τις διεργασίας και, την ωρίμανση της διεργασίας συνολικά ΤΗΜΜΥ - 28
Απόδοση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Καμπύλες που βασίζονται στα δεδομένα απόδοσης των διεργασιών ανάπτυξης διπολικών και MOS τρανζίστορ Οι καμπύλες απόδοσης μπορούν να αυξηθούν ή να μειωθούν εκτός των άλλων εξαιτίας της χρήσης πιο συντηρητικών κανόνων σχεδίασης ΤΗΜΜΥ - 29
Απόδοση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Υπάρχουν επίσης: η απόδοση κατασκευής ψηφίδας (die fab yield) - Y df και η απόδοση τελικού ελέγχου (final test yield) Y ft Η πρώτη δίνεται από τον λόγο του αριθμού των ηλεκτρικά λειτουργικών ψηφίδων μετά την κατασκευή τους, προς τον αριθμό τους πριν τη διαδικασία αυτή Η δεύτερη δίνεται από τον λόγο του αριθμού των λειτουργικών μονάδων στον τελικό έλεγχο προς τον αριθμό τους πριν τη συσκευασία ΤΗΜΜΥ - 30
Κόστος κατασκευής C t C w C p NY C w κόστος κατασκευής (wafer fab cost) C p κόστος συσκευασίας (packaging cost) Ο συνολικός αριθμός των λειτουργικών μονάδων είναι: Οπότε το κόστος ανά λειτουργική μονάδα είναι: C C N t g N NY g ws Y Cw NY Y ws df df Y Y ft ws ft Y df C Y p ft ΤΗΜΜΥ - 31
Συσκευασία ολοκληρωμένων Μέγιστη επιτρεπόμενη κατανάλωση ισχύος Η κατανάλωση ισχύος δημιουργεί θερμότητα που: διαχέεται μέσα στο πυρίτιο και, Μεταφέρεται στη δομή της συσκευασίας (εκλύεται στο περιβάλλον) T chip T ambinet jc ca P d Τ ambient : θερμοκρασία περιβάλλοντος T chip : θερμοκρασία chip θ jc : θερμική αντίσταση επαφής περιβλήματος (τυπικά 30-40 ο C/W) θ ca : θερμική αντίσταση περιβλήματος περιβάλλοντος (τυπικά 40-100 ο C/W) P d : κατανάλωση ισχύος ΤΗΜΜΥ - 32
Συσκευασία ολοκληρωμένων Επίδραση στην αξιοπιστία Μέσος χρόνος εμφάνισης βλαβών σε ένα δείγμα ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Σε καθορισμένο σύνολο συνθηκών λειτουργίας χειρότερης κατάστασης Μελέτη βλαβών τρόποι για να αποφευχθούν, τρόποι για να αντιμετωπιστούν - πρόβλεψη κατά τον σχεδιασμό Συσκευασίες ολοκληρωμένων Ερμητικά σφραγισμένη κοιλότητα (μεταλλικές κεραμικές συσκευασίες) Μη ερμητικά σφραγισμένη κοιλότητα (πλαστικές συσκευασίες) ΤΗΜΜΥ - 33
Συνοψίζοντας Φυσικός Σχεδιασμός Σύνδεση των εξαρτημάτων της τεχνολογίας (transistor-αντιστάσειςπυκνωτές κ.λπ.) χρησιμοποιώντας λεπτές μεταλλικές γραμμές σε σχήμα παραλληλόγραμμου ανάλογα με το ηλεκτρικό σχέδιο. ΤΗΜΜΥ - 34
Συνοψίζοντας Wafer die bonding - packaging wafer TSOP- Thin Small Outline Package bonding Lead Frame die wafer BGA- Ball Grid Array ΤΗΜΜΥ - 35
Συνοψίζοντας Die bonding packaging PCB ΤΗΜΜΥ - 36
ΤΗΜΜΥ