physical structure of cmos integrated circuits
TRANSCRIPT
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
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
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).