lab1a_2

5/16/2018 lab1a_2 - slidepdf.com

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Laboratoire 1a: Transistors, procedes, masques

Hiver 2011

Duree: 1 semaine; vendredi le 11 fevrier dans la boıte avant

17h30

1 Objectifs

• Familiarisation avec le logiciel Microwind

• Simulation et caracterisation du comportement statique et dynamiquedes transistors

• Familiarisation avec les divers procedes et les effets d’echelle (i.e. im-pact sur la frequence maximale)

• Premiers contacts avec le dessin de masque, concept de la distance

minimale λ, regles de conception

• Comprehension des differentes etapes de fabrication d’un CI, coupe etstructures 3D resultantes

2 Description

Ce laboratoire se veut une introduction au logiciel Microwind de meme qu’uneinitiation aux principes de base du dessin de masque. On s’attardera egale-ment aux procedes et a l’evolution de la densite des puces.

Microwind fournit des fichiers decrivant les regles de conception des procedesenumeres a la table 1.

Il est conseille de repondre aux questions pre-laboratoire avant d’entamerla procedure. Pour repondre aux questions pre- et post-laboratoire, l’usagedu manuel (Uyemura) peut etre d’un grand secours!

1



GIF4201 / GEL7016 (Micro-electronique) 2

Procede Annee Couches V DD oxyde de taille du plots d’entree fichier

de metal (V) grille (nm) de (mm) / sortie Microwind1.2µm 1986 2 5.0 25 5×5 250 cmos12.rul

0.7µm 1988 2 5.0 20 7×7 350 cmos08.rul

0.5µm 1992 3 3.3 12 10×10 600 cmos06.rul

0.35µm 1994 5 3.3 7 15×15 800 cmos035.rul

0.25µm 1996 6 2.5 5 17×17 1000 cmos025.rul

0.18µm 1998 6 1.8 3 20×20 1500 cmos018.rul

0.12µm 2001 6–8 1.2 2 22×20 1800 cmos012.rul

90nm 2003 6–10 1.0 1.8 25×20 2000 cmos90n.rul

65nm 2005 6–12 0.8 1.6 25×20 3000 cmos70n.rul

Table 1: Procedes supportes par Microwind avec l’annee de leur mise enmarche.

3 Questions pre-laboratoire

1. Decrivez comment on definit la distance λ pour un procede donne.

2. Identifiez brievement le role de chacun des masques suivants:

– nWell

– Active

– Poly

– pSelect

– nSelect

– Active contact

– Poly contact

– Metal1

– Via

– Metal2– Overglass




4 Procedure

A. Dessin d’un transistor

1. Ouvrez le logiciel Microwind2. La fenetre principale du logiciel estla fenetre de dessin de masques. Par defaut, le logiciel dans un en-vironnement de conception (echelle, couches, regles de conception)correspondant a un procede CMOS 0.12 µm. Dans la fenetre dedessin, toute distance, largeur et longueur est un multiple entierde la distance fondamentale λ, laquelle depend du procede.

2. Une palette vous offre un choix de couches codees par couleur.Initialement, la couche selectionnee (son nom est en rouge) est

celle du polysilicium. En utilisant un clic continu du bouton dela souris dans la fenetre de dessin, creez un rectangle allonge depolysilicium comme ci-dessous. Les dimensions exactes peuventvarier, mais le rectangle doit avoir au minimum une largeur de 2λ.

3. Selectionnez a present la couche de diffusion n+. Dessinez uneboıte plus large intersectant le polysilicium comme ci-dessous.

Vous avez cree un transistor; en effet, le logiciel interprete cor-rectement l’intersection polysilicium / diffusion n+ et apporte lesmodifications appropriees aux divers masques. A l’aide du curseur,mesurez les dimensions de l’intersection (un clic donne les coor-donnees du curseur dans le bas de l’ecran, en multiples de λ).




B. Couches et procede

4. Faites une coupe du transistor en cliquant sur Simulate → 2D

Vertical cross-section et en tirant une ligne sur toute sa largeurcomme ci-dessous. Determinez l’epaisseur tox.

5. Fermez la fenetre de coupe et affichez la structure tridimension-nelle du transistor en cliquant sur Simulate → Process steps in 3D .Selectionnez les etapes du procede une-a-une a droite et observezla construction du transistor.




C. Caracteristiques statiques des transistors MOS

6. Fermez la fenetre du procede en 3D; selectionnez ensuite File →

Colors → White background .

7. Selectionnez Simulate →MOS Characteristics. Cliquez sur l’ongletLevel 1 pour selectionner le modele MOS de simulation de niveau1. Dans le menu approprie (au bas de la fenetre, au centre), choi-sissez une taille de transistor de W =10µm, L=10µm. Cliquezegalement sur le bouton Fit si necessaire pour mettre les courbesa l’echelle.

8. Cliquez sur le bouton Add measure; choisissez ensuite le fichier

Ne10x10.MES. Ce dernier correspond a de veritables mesures decaracterisques V-I effectuees sur une puce test de 0.12 µm. Faitesune saisie d’ecran afin de pouvoir inclure ces courbes dans votrerapport.

9. Effectuez les memes operations pour les modeles Level 3 et BSIM4.Il n’est pas necessaire de refaire Add measure. N’oubliez pasd’effectuer des saisies d’ecran.

D. Caracteristiques dynamiques des transistors MOS

10. Pour observer le comportement dynamique, on applique une hor-

loge a la grille du nFET. Pour ce faire, cliquez sur l’icone“horloge”dans la palette, puis cliquez sur la grille. Dans la formulaire quiapparait, entrez les caracteristiques suivantes: Time low = 0.225ns, Rise time = 0.5 ps, Time high = 0.225 ns, Fall time = 0.5 ps.Changez le nom du signal a vgrille. Cliquez sur Assign .

11. On ajoute une horloge deux fois plus lentes au drain. Cliquezsur l’icone “horloge”, puis sur la region de diffusion a gauche dela grille. Changez le nom du signal a vdrain. Pour generer unehorloge ayant une periode de 1ns, il suffit de cliquer sur Assign

(periode de 1ns par defaut).

12. On desire maintenant rendre la source visible en simulation; pource faire on clique sur l’icone Visible node (l’oeil) dans la palette,puis sur la region de diffusion a droite de la grille. Cliquez immedi-atement sur Assign . Sauvegardez votre travail avant la simulation,cette derniere pouvant occasionnellement faire planter le logiciel.




13. Selectionnez Simulate → Run simulation → Voltage vs. Time.

Faites une saisie d’ecran ou utilisez le bouton Print pour sauveg-arder / imprimer les traces (chronogrammes) de simulation.

E. Frequence et echelle

14. Selectionnez File → Open . Choisissez le fichier inv3.MSK. Ce tracecorrespond a un oscillateur annulaire (“ring oscillator”):

15. Selectionnez Simulate → Run simulation → Voltage vs. Time.Faites une saisie d’ecran ou utilisez le bouton Print pour sauveg-arder / imprimer les traces (chronogrammes) de simulation. Notezbien la frequence de l’oscillation et la tension d’alimentation.

16. Faites File → Select Foundry puis choisissez cmos35.rul.

17. Simuler a nouveau le circuit; notez la frequence d’oscillation et latension d’alimentation.

18. Repetez la procedure pour tous les procedes enumeres a la table1 entre 1.2µm et 90nm, inclusivement.

19. Faites File → Open . Choisissez le fichier inv3comp.MSK. On voitici deux traces pour l’oscillateur annulaire; l’un avec deux couchesd’interconnections, l’autre avec 5. Imprimez / sauvegardez cestraces.

F. Rapport

• Produisez un rapport de laboratoire comprenant les parties suiv-antes:

– une introduction;

– les reponses aux questions pre-laboratoire;




– les divers traces, courbes et sauvegardes d’ecran demandes

dans la procedure;– les reponses aux questions post-laboratoire;

– une conclusion.

5 Questions post-laboratoire

1. Quelle est l’epaisseur tox des transistors en CMOS 0.12 µm? Calulez lacapacitance de la grille du transistor que vous avez dessine, en Farads.

2. Lors de la simulation du procede en 3D:

(a) Pourquoi ne se passe-t-il rien a l’etape 03 “N-diffusion”?

(b) A quelle etape du procede est-ce que le transistor est complet?

(c) Pourquoi ne se passe-t-il rien a l’etape 13 “P+ implant”?

3. Dans les traces de simulation produites a l’etape 13:

(a) indiquez clairement les zones ou le transistor est eteint;

(b) determinez, a partir des traces, la valeur de V T n.

(c) comment expliquez vous la courbe dans la montee de vsource

lorsque la grille est a ’1’?4. Tracez (avec Matlab ou un outil semblable) la frequence d’oscillation

de l’oscillateur annulaire vs. l’annee de mise en marche du procede(voir table 1). Comparez avec la graphe d’evolution des frequencesde microprocesseur (chapitre 1 des notes - GIF4201c1.pdf). Expliqueztoute divergence entre les deux courbes.

5. En examinant les deux traces (a 2 couches M et 5 couches M) del’oscillateur annulaire (voir etape 19 de la procedure), quel serait selonvous le desavantage croissant associe avec une augmentation du nombre

de couches d’interconnexion?




Laboratoire 1a

Transistors, procedes, masques

Nom Matricule

1.

2.

1. Les resultats de simulation OUI NON2. Le maıtrise du logiciel OUI NON3. Le bonne comprehension du laboratoire et des concepts OUI NON

Signature de l’assistant:

Date:

lab1a_2

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