63
THIT KVI MCH TƯƠNG TCHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang-bmôn KThut Đin TTP.HChí Minh 12/2011 Hoàng Trang bmôn KThut Đin T[email protected] 1 1

THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰCHƯƠNG 2: CMOS Technology

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử

TP.Hồ Chí Minh 12/2011

Hoàng Trang bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử[email protected]

11

Page 2: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

1. Overview

- IC technology

CMOS BJT- CMOS vs BJT

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/20112

Page 3: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

What is Integrated Circuit Technology?

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/20113

Page 4: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

How Does IC Technology Influence Analog IC Design?

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 4

Page 5: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Classification of Silicon Technology

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 5

Page 6: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Why CMOS Technology?

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 6

Page 7: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Components of a Modern CMOS Technology

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 7

Page 8: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

CMOS Components – Transistors

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 8

Page 9: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

2.BASIC IC PROCESS TECHNOLOGYFUNDAMENTAL IC PROCESSING STEPS

100‐200‐300‐450mm

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 9

Page 10: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Oxidation

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 10

Page 11: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Diffusion

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 11

Page 12: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Ion implantation

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 12

Page 13: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Deposition

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 13

Page 14: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Etching

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 14

Page 15: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Shallow Trench Isolation

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 15

Page 16: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Epitaxial

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 16

Page 17: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Photolithography

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 17

Page 18: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Illustration of Photolithography ‐ Exposure

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 18

Page 19: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Illustration of Photolithography –Positive Photoresist

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 19

Page 20: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Major Fabrication Steps for a DSM CMOS Process1 ) p and n wells1.) p and n wells2.) Shallow trench isolation3.) Threshold shift4.) Thin oxide and gate polysilicon5.) Lightly doped drains and sources6.) Sidewall spacer) p7.) Heavily doped drains and sources8.) Siliciding (Salicide and Polycide)9 ) Bottom metal tungsten plugs and oxide9.) Bottom metal, tungsten plugs, and oxide10.) Higher level metals, tungsten plugs/vias, and oxide11.) Top level metal, vias and protective oxide

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 20

Page 21: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 1 – Starting MaterialThe substrate should be highly doped to act like a good conductor

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 21

Page 22: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 2 - n and p wellsThese are the areas where the transistors will be fabricated -NMOS in the p well and PMOS in the n wellNMOS in the p-well and PMOS in the n-well.Done by implantation followed by a deep diffusion.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 22

Page 23: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 3 – Shallow Trench IsolationThe shallow trench isolation (STI) electrically isolates one region/transistor from anotherregion/transistor from another.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 23

Page 24: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 4 – Threshold Shift and Anti-Punch Through Implants- The natural thresholds of the NMOS is about 0V and of the PMOS is about –1.2V. An p-implant is used to make the NMOS harder to invert and the PMOS p peasier resulting in threshold voltages balanced around zero volts.- Also an implant can be applied to create a higher-doped region beneath the channels to prevent punch-through from the drain depletion region extending to source depletion region.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 24

Page 25: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 5 – Thin Oxide and Polysilicon GatesA thin oxide is deposited followed by polysilicon. These layers are removed where they are not wantedremoved where they are not wanted.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 25

Page 26: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 6 – Lightly Doped Drains and SourcesA lightly-doped implant is used to create a lightly-doped source and drain next to the channel of the MOSFETsand drain next to the channel of the MOSFETs.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 26

Page 27: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 7 – Sidewall Spacers A layer of dielectric is deposited on the surface and removed in such a way as to leave “sidewall spacers” next to the thin oxidesuch a way as to leave sidewall spacers next to the thin-oxide-polysilicon-polycide sandwich. These sidewall spacers will prevent the part of the source and drain next to the channel from becoming heavily doped.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 27

Page 28: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 8–Implantation of the Heavily Doped Sources and DrainsNote that not only does this step provide the completed sources and drains but allows for ohmic contact into the wells andand drains but allows for ohmic contact into the wells and substrate.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 28

Page 29: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 9 – SilicidingSiliciding and polyciding is used to reduce interconnect resistivity by placing a lowresistance silicide such as TiSi2 WSi2 TaSi2 etcby placing a lowresistance silicide such as TiSi2, WSi2, TaSi2, etc. on top of the diffusions.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 29

Page 30: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 10 – Intermediate Oxide LayerAn oxide layer is used to cover the transistors and to planarize (or polish >CMP) the surfacepolish->CMP) the surface.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 30

Page 31: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 11- First-Level MetalTungsten plugs are built through the lower intermediate oxide layer to provide contact between the devices wells and substratelayer to provide contact between the devices, wells and substrate to the first-level metal.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 31

Page 32: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Step 12 – Second-Level MetalThe previous step is repeated to from the second-level metal.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 32

Page 33: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Completed Fabrication After multiple levels of metal are applied, the fabrication is completed with a thicker top-level metal and a protective layer to hermetically seal the circuit from the environment. Note that metal is used for the upper level metal vias The chip is electrically connected byNote that metal is used for the upper level metal vias. The chip is electrically connected byremoving the protective layer over large bonding pads.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 33

Page 34: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Scanning Electron Microscope (SEM) of a MOSFET cross-section

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 34

Page 35: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

SEM: Showing Metal Levels and Interconnect

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 35

Page 36: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

3. TYPICAL DEEP SUBMICRON (DSM) CMOS FABRICATION PROCESS

DSM CMOS Technology Summary

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 36

Page 37: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

What is UDSM CMOS Technology?Vindication of Moore’s Law“The minimum feature size decreases by approximately 0.7 every two years.”y pp y y y

Minimum feature size ~25 nanometers (2012)2006 state of the art:- 65 nm drawn length - 35 nm transistor gate length- 1.2 nm transistor gate oxide - 8 layers of copper interconnect

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 37

Page 38: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Example: about 65 Nanometer CMOS Technology

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 38

Page 39: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

UDSM Metal and Interconnects

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 39

Page 40: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Advantages of UDSM CMOS Technology:

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 40

Page 41: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Disadvantages of UDSM CMOS Technology (for Analog)?• Reduction in power supply resulting in reduced headroom• Gate leakage currents

R d d ll i l i t i i i• Reduced small-signal intrinsic gains• Increased nonlinearity (IIP3)• Noise and matching?

Intrinsic gain and IP3 as a function of the gate overdrive for decreasing VDS:

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 41

Anne-Johan Annema, et. Al., “Analog Circuits in Ultra-Deep-Submicron CMOS,” IEEE J. of Solid-State Circuits, 2005

Page 42: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

the Gate Leakage Problem?

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 42

Page 43: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

Gate Leakage and fgate

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 43

Page 44: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

4. ULTRA DEEP SUBMICRON (UDSM) CMOS FABRICATION PROCESS

UDSM CMOS Technology Summary

• Increased transconductance and frequency capabilityL l lt• Low power supply voltages

• Reduced parasitics• Gate leakage causes challenges for analog applications of g g gUDSM technology• Other . . . ?

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 44

Page 45: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

5. PN JUNCTIONS in CMOS

How are PN Junctions used in CMOS?• PN junctions are used to electrically isolate one semiconductor region from anotheranother• PN diodes• Creation of the thermal voltage for bandgap purposes• Depletion capacitors – voltage variable capacitors (varactors)

Components of a PN junction:1.) p-doped semiconductor – a semiconductor having atoms containing a lack of electrons (acceptors). The concentration of acceptors is NA in atoms per cubic centimeter.2.) n-doped semiconductor – a semiconductor having atoms containing an excess of electrons (donors) The concentration of these atoms is ND in atomsexcess of electrons (donors). The concentration of these atoms is ND in atoms per cubic centimeter.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 45

Page 46: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORPHYSICAL ASPECTS OF MOS TRANSISTORS

Physical Structure of MOS Transistors in an n-well Technology

Width (W) of the MOSFET = Width of the source/drain diffusionLength (L) of the MOSFET = Width of the polysilicon gate between the S/D diffusionsNote: the MOSFET is isolated from the well/substrate by reverse biasing the resulting

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 46

PN junction

Page 47: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORPHYSICAL ASPECTS OF MOS TRANSISTORS

Enhancement MOSFETsThe channel between the source and drain of an enhancement MOSFET is formed when the proper potential is applied to the gate of the MOSFET. This potential inverts th t i l i di t l b l th t t th t f i it th dthe material immediately below the gate to the same type of impurity as the source and drain forming the channel.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 47

Page 48: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORPHYSICAL ASPECTS OF MOS TRANSISTORS

Depletion Mode MOSFETThe channel is diffused into the substrate so that a channel exists between the source and drain with no external gate potential.

The threshold voltage for a depletion mode NMOS transistor will be negative (a negative gate potential is necessary to attract enough holes underneath the gate to

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 48

negative gate potential is necessary to attract enough holes underneath the gate to cause this region to invert to p-type material).

Page 49: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORPHYSICAL ASPECTS OF MOS TRANSISTORS

W k I i O iWeak Inversion Operation

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 49

Page 50: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Layout of a Single MOS transistor

Comments:• Make sure to contact the source and drain with multiple contacts to evenly distribute the current flow under the gate

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 50

the current flow under the gate.• Minimize the area of the source and drain to reduce bulk-source/drain capacitance.

Page 51: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Geometric Effects

Orientation:Devices oriented in the same direction match more precisely than those oriented in other directions

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 51

Page 52: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Diffusion and Etch Effects

• Poly etch rate variation – use dummy elements to prevent etch rate differences.• Do not put contacts on top of the gate for matched transistors.• Be careful of diffusion interactions for diffusions near the channel of the MOSFET

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 52

Page 53: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Thermal and Stress Effects• Oxide gradients – use common centroid geometry layout• Stress gradients – use proper location and common centroid geometry layout• Thermal gradients – keep transistors well away from power devices and use common centroid geometry layout with interdigitated transistors

Examples of Common Centroid Interdigitated transistor layout:Examples of Common Centroid Interdigitated transistor layout:

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 53

Page 54: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

MOS Transistor LayoutPhotolithographic invariance (PLI) are transistors that exhibit identical orientation. PLI comes from optical interactions between pthe UV light and the masks.

Examples of the layout of matched MOS transistors:1 E l f i t d h t lith hi i i1. Examples of mirror symmetry and photolithographic invariance.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 54

Page 55: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Examples of the layout of matched MOS transistors (cont)2. Two transistors sharing a common source and laid out to

hi b th h t lith hi i i d t idachieve both photolithographic invariance and common centroid.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 55

Page 56: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

6. MOS TRANSISTORLAYOUT OF MOS TRANSISTORS

Examples of the layout of matched MOS transistors (cont)3. Compact layout of the previous example.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 56

Page 57: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technology

Types of Capacitors for CMOS Technology

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 57

Page 58: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technology

Characterization of Capacitors

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 58

Page 59: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technologyPN JUNCTION CAPACITORS

PN Junction Capacitors in a Well

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 59

Page 60: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technologyPN JUNCTION CAPACITORS

PN Junction Capacitors in a Well

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 60

Page 61: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technologyMOSFET GATE CAPACITORS

MOSFET Gate Capacitor StructureThe MOSFET gate capacitors have the gate as one terminal of the capacitor and some combination of the source, drain, and bulkthe capacitor and some combination of the source, drain, and bulk as the other terminal.In the model of the MOSFET gate capacitor shown below, the gate capacitance is really two capacitors in series depending ongate capacitance is really two capacitors in series depending on the condition of the channel.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 61

Page 62: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

7. CAPACITORS in CMOS technologyMOSFET GATE CAPACITORS

MOSFET Gate Capacitor StructureThe MOSFET gate capacitors have the gate as one terminal of the capacitor and some combination of the source, drain, and bulkthe capacitor and some combination of the source, drain, and bulk as the other terminal.In the model of the MOSFET gate capacitor shown below, the gate capacitance is really two capacitors in series depending ongate capacitance is really two capacitors in series depending on the condition of the channel.

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/2011 62

Page 63: THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ - hcmut.edu.vnhoangtrang/lecture note/AnalogICdesign... · THIẾT KẾ VI MẠCH TƯƠNG TỰ CHƯƠNG 2: CMOS Technology Hoàng Trang -bộmônKỹThuật

Reference

Phillip E.Allen, Douglas R.Holberg, “CMOS Analog Circuit Design”, 2nd Edition, Oxford Univeristy Press, 2002.g , , y ,

Hoàng Trang-bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử, 12/201163