physical structure of cmos integrated circuitsย ยท โข what a mosfet looks like at the physical...
TRANSCRIPT
Physical Structure of CMOS Integrated Circuits
Dae Hyun Kim
EECS Washington State University
References
โข John P. Uyemura, โIntroduction to VLSI Circuits and Systems,โ 2002. โ Chapter 3
โข Neil H. Weste and David M. Harris, โCMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective,โ 2011. โ Chapter 1
Goal
โข Understand the physical structure of CMOS integrated circuits (ICs)
Logical vs. Physical
โข Logical structure
โข Physical structure
๐๐ ๐๐
๐๐
๐๐
Source: http://www.vlsi-expert.com/2014/11/cmos-layout-design.html
Integrated Circuit Layers
โข Semiconductor โ Transistors (active elements)
โข Conductor
โ Metal (interconnect) โข Wire โข Via
โข Insulator
โ Separators
Integrated Circuit Layers
โข Silicon substrate, insulator, and two wires (3D view)
โข Side view
โข Top view
Substrate
Insulator
Metal 1 layer
Substrate
Integrated Circuit Layers
โข Two metal layers separated by insulator (side view)
โข Top view
Substrate
Metal 1 layer
Metal 2 layer
Insulator
Insulator Via 12 (connecting M1 and M2)
Connected Not connected
Integrated Circuit Layers
Integrated Circuit Layers
โข Signal transfer speed is affected by the interconnect resistance and capacitance. โ Resistance โ => Signal delay โ โ Capacitance โ => Signal delay โ
Integrated Circuit Layers
โข Resistance โ ๐ ๐ = ๐๐ ๐๐
๐ด๐ด= ๐๐
๐ก๐กโ ๐๐๐ค๐ค
= ๐ ๐ ๐ ๐ โ๐๐๐ค๐ค
โข ๐ ๐ ๐ ๐ : sheet resistance (constant)
โข ๐๐: resistivity (= 1๐๐, ๐๐: conductivity)
โ Material property (constant) โ Unit: ฮฉ โ ๐๐
โข ๐ก๐ก: thickess (constant) โข ๐ค๐ค: width (variable) โข ๐๐: length (variable)
โข Example
โ ๐๐: 17.1๐๐ฮฉ โ ๐๐, ๐ก๐ก: 0.13๐๐๐๐,๐ค๐ค: 65๐๐๐๐, ๐๐: 1000๐๐๐๐
โข ๐ ๐ = 17.1 โ 10โ9ฮฉ โ ๐๐ โ 1000โ10โ6๐๐0.13โ10โ6๐๐ โ 65โ10โ9๐๐
= 2023ฮฉ
๐ค๐ค
Direction of current flows
๐๐ ๐ก๐ก
Cross-sectional area ๐ด๐ด = ๐ก๐ก โ ๐ค๐ค
Integrated Circuit Layers
โข Capacitance โ ๐ถ๐ถ = ๐๐ ๐ก๐กโ๐๐
๐ ๐
โข ๐๐: permittivity โ Material property (constant) โ Unit: F/m
โข ๐ ๐ : distance between two conductors
โข Example
โ ๐๐: 1.8 โ 10โ11๐น๐น/๐๐, ๐ก๐ก: 0.13๐๐๐๐, ๐ ๐ : 65๐๐๐๐, ๐๐: 1000๐๐๐๐
โข ๐ถ๐ถ = 1.8 โ 10โ11๐น๐น/๐๐ โ 0.13โ10โ6๐๐ โ 1000โ10โ6๐๐65โ10โ9๐๐
= 3.6 โ 10โ14๐น๐น = 36๐๐๐น๐น
๐ ๐
Direction of current flows
๐๐ ๐ก๐ก
MOSFETs โ Physical Shape
โข What a MOSFET looks like at the physical level โ ๐ฟ๐ฟ: Channel length โ ๐๐: Channel width
โ ๐๐๐ฟ๐ฟ
: Aspect ratio
Substrate (silicon wafer)
Drain (D)
Source (S)
Silicon dioxide =
Gate oxide (insulator)
๐ณ๐ณ
Gate (G)
๐พ๐พ
S D
G
๐ณ๐ณ G S D ๐พ๐พ
Top view Side view
Current flows
MOSFETs โ Physical Shape
โข Inverter
Source: Neil H. Weste and David M. Harris, โCMOS VLSI Design: A Circuits and Systems Perspective,โ 2011
MOSFETs โ Device Physics
โข Atomic density of a silicon crystal โ ๐๐๐๐๐๐ โ 5 ร 1022
โข Intrinsic carrier density
โ # free electrons (due to thermal excitations) โ ๐๐๐๐ โ 1.45 ร 1010/๐๐๐๐3 (at room temperature)
โข Mass action law when no current flows in pure silicon
โ ๐๐ = ๐๐ = ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐ = ๐๐๐๐2
โข ๐๐: # free electrons โข ๐๐: # free holes
MOSFETs โ Device Physics
โข Doping โ Add impurity atoms (dopants) to enhance # electrons or # holes. โ n-type material: if more electrons are added (donors).
โข ๐๐๐๐: # donors (1016~1019/๐๐๐๐3) โข # free electrons (majority carriers): ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐/๐๐๐๐3
โข # holes (minority carriers): ๐๐๐๐ โ๐๐๐๐2
๐๐๐๐/๐๐๐๐3
โข ๐๐๐๐ โซ ๐๐๐๐ โ p-type material: if more holes are added (acceptors).
โข ๐๐๐๐: # acceptors (1014~1019/๐๐๐๐3) โข # holes (majority carriers): ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐/๐๐๐๐3
โข # free electrons (minority carriers): ๐๐๐๐ โ๐๐๐๐2
๐๐๐๐/๐๐๐๐3
โข ๐๐๐๐ โซ ๐๐๐๐
MOSFETs โ Device Physics
โข Conductivity โ ๐๐ = ๐๐(๐๐๐๐ โ ๐๐ + ๐๐๐๐ โ ๐๐)
โข ๐๐: The charge of an electron (โ1.602 โ 10โ19) โข ๐๐๐๐: Electron mobility (1360๐๐๐๐2/๐๐ โ ๐ ๐ ) โข ๐๐๐๐: Hole mobility (480๐๐๐๐2/๐๐ โ ๐ ๐ )
โข Intrinsic silicon โ ๐๐ โ 4.27 โ 10โ6 โ ๐๐ โ 2.34 โ 105
โข Quartz glass (insulator) โ ๐๐ โ 1012
โข Mobility โ ๐๐๐๐ > ๐๐๐๐
โข Impurity scattering โ Adding a large number of impurity atoms reduces the mobility.
PN Junction
p
n
p
n
p
n
Forward current
๐ผ๐ผ > 0
๐ผ๐ผ > 0 ๐ผ๐ผ = 0
๐ผ๐ผ = 0
Reverse blocking pn junction
MOSFETs
n+ n+
G
nFET
n+: heavily doped with donors
p
Contact (metal)
p+ p+
G
pFET
p+: heavily doped with acceptors
p
Contact (metal)
n-well
* Contacts are used to connect source/drain/gate to metal 1.
MOSFETs โ Device Physics
โข ๐ก๐ก๐๐๐๐: oxide thickness โ Typically a few nm
โข Gate material โ Polysilicon (called poly) โ Metal
โข Oxide capacitance (Gate(M) โ Insulator(O) โ Semiconductor(S)) โ ๐ถ๐ถ๐บ๐บ = ๐๐๐๐๐๐ โ ๐ด๐ด๐บ๐บ
โข ๐๐๐๐๐๐ = ๐๐๐๐๐๐๐ก๐ก๐๐๐๐
: unit gate capacitance
โ ๐๐๐๐๐๐ โ 3.9๐๐0 = 3.9 โ 8.854 โ 10โ12๐น๐น/๐๐ โข ๐ด๐ด๐บ๐บ: gate area (= ๐ฟ๐ฟ โ ๐๐)
โ Example โข ๐ก๐ก๐๐๐๐ = 8๐๐๐๐, ๐ฟ๐ฟ = 45๐๐๐๐,๐๐ = 70๐๐๐๐
โ ๐ถ๐ถ๐บ๐บ โ 0.013๐๐๐น๐น
G
๐๐๐บ๐บ
๐ก๐ก๐๐๐๐
MOSFETs โ Device Physics (nFET)
โข Current โ Channel charge: ๐๐๐๐ = โ๐ถ๐ถ๐บ๐บ(๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐)
โข No charge forms until ๐๐๐บ๐บ reaches ๐๐๐๐๐๐.
โ Current flowing the channel: ๐ผ๐ผ = |๐๐๐๐|๐๐๐ก๐ก
โข ๐๐๐ก๐ก = ๐ฟ๐ฟ๐ฃ๐ฃ: channel transit time (the average time needed for an electron to
move from S to D).
โข ๐ฃ๐ฃ = ๐๐๐๐ โ ๐ธ๐ธ = ๐๐๐๐ โ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท๐ฟ๐ฟ
โ ๐ฐ๐ฐ โ ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐พ๐พ๐ณ๐ณ
โ (๐ฝ๐ฝ๐ฎ๐ฎ โ ๐ฝ๐ฝ๐ป๐ป๐๐) โ ๐ฝ๐ฝ๐ซ๐ซ๐ซ๐ซ
n+ n+
G
p
๐๐๐บ๐บ = 0
n+ n+
G
p
๐๐๐บ๐บ > 0
electrons
๐ณ๐ณ
MOSFETs โ Device Physics (nFET)
โข Current through the channel
โ ๐ผ๐ผ โ ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐๐๐ฟ๐ฟ
โ ๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐ โ ๐๐๐ท๐ท๐๐ = ๐ฝ๐ฝ๐๐ โ ๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐ โ ๐๐๐ท๐ท๐๐
โข ๐ฝ๐ฝ๐๐ = ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐๐๐ฟ๐ฟ
: device transconductance โข ๐๐๐๐, ๐๐๐๐๐๐ ,๐๐๐๐๐๐: constants โข ๐ฟ๐ฟ,๐๐: variables (designers can decide) โข ๐๐๐บ๐บ ,๐๐๐ท๐ท๐๐: variables (but either 0 or ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท)
โข Channel resistance
โ ๐ ๐ ๐๐ = ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท๐ผ๐ผ
= 1๐ฝ๐ฝ๐๐โ(๐๐๐บ๐บโ๐๐๐๐๐๐)
n+ n+
G
p
๐๐๐บ๐บ > ๐๐๐๐๐๐
Channel resistance
MOSFETs โ Device Physics (pFET)
โข Current โ Channel charge: ๐๐๐๐ = ๐ถ๐ถ๐บ๐บ(๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐ )
โข No charge forms until ๐๐๐บ๐บ reaches ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท โ |๐๐๐๐๐๐|.
โ Current flowing the channel: ๐ผ๐ผ = |๐๐๐๐|๐๐๐ก๐ก
โข ๐๐๐ก๐ก = ๐ฟ๐ฟ๐ฃ๐ฃ: channel transit time (the average time needed for an electron to
move from D to S).
โข ๐ฃ๐ฃ = ๐๐๐๐ โ ๐ธ๐ธ = ๐๐๐๐ โ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท๐ฟ๐ฟ
โ ๐ฐ๐ฐ โ ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐พ๐พ๐ณ๐ณ
โ (๐ฝ๐ฝ๐ฎ๐ฎ โ ๐ฝ๐ฝ๐ป๐ป๐๐ ) โ ๐ฝ๐ฝ๐ซ๐ซ๐ซ๐ซ
p+ p+
G
n
๐๐๐บ๐บ = ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท
p+ p+
G
n
๐๐๐บ๐บ < ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท โ |๐๐๐๐๐๐|
holes
๐ณ๐ณ
MOSFETs โ Device Physics
โข Current through the channel
โ ๐ผ๐ผ โ ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐๐๐ฟ๐ฟ
โ ๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐ท๐ท = ๐ฝ๐ฝ๐๐ โ ๐๐๐บ๐บ โ ๐๐๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐ท๐ท
โข ๐ฝ๐ฝ๐๐ = ๐๐๐๐ โ ๐๐๐๐๐๐ โ๐๐๐ฟ๐ฟ
: device transconductance
โข ๐๐๐๐, ๐๐๐๐๐๐ ,๐๐๐๐๐๐: constants โข ๐ฟ๐ฟ,๐๐: variables (designers can decide) โข ๐๐๐บ๐บ ,๐๐๐๐๐ท๐ท: variables (but either 0 or ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท)
โข Channel resistance
โ ๐ ๐ ๐๐ = ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท๐ผ๐ผ
= 1๐ฝ๐ฝ๐๐โ(๐๐๐บ๐บโ ๐๐๐๐๐๐ )
p+ p+
G
p
๐๐๐บ๐บ < ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท โ |๐๐๐๐๐๐|
Channel resistance
MOSFETs โ Device Physics
โข Charging the gate requires current flows. โ ๐๐ = ๐ถ๐ถ๐บ๐บ
๐๐๐๐๐บ๐บ๐๐๐ก๐ก
โ The transistor itself has a signal delay. โ If ๐ถ๐ถ๐บ๐บ is large, the delay goes up.
โข Energy
โ ๐ธ๐ธ = โซ๐๐ ๐๐๐ก๐ก = โซ ๐๐ โ ๐ผ๐ผ ๐๐๐ก๐ก = โซ ๐๐ โ ๐ถ๐ถ ๐๐๐๐๐๐๐ก๐ก
๐๐๐ก๐ก = 12๐ถ๐ถ๐๐2
โ ๐ธ๐ธ = 12๐ถ๐ถ๐บ๐บ๐๐๐ท๐ท๐ท๐ท2
โ Driving a transistor consumes energy (power dissipation).