Tecnología nMOS y CMOS: fabricación, consumo y reglas de diseño de circuitos integrados

Resumen

El documento compara los transistores nMOS y CMOS en cuanto a consumo y tamaño, describe los pasos de fabricación de transistores pMOS, nMOS y CMOS, y explica las reglas de diseño que garantizan que los patrones del layout se fabriquen correctamente. Es útil para entender cómo se construyen los circuitos integrados y por qué el valor de la tecnología condiciona todas las medidas del diseño.

Puntos clave

Los transistores nMOS tienen menos transistores y consumen mucho por su consumo estático; los CMOS tienen más transistores (2n), son más grandes, pero consumen poco porque solo consumen durante las transiciones.
La fabricación de pMOS parte de un sustrato tipo n, incluye deposición de polisilicio, difusión de zonas p+ y protección con óxido de silicio antes de depositar metal en los contactos.
La fabricación nMOS es similar a la pMOS, pero parte de un sustrato tipo p y difunde zonas n+.
La CMOS necesita ambos tipos de sustrato y se obtiene mediante pozo-n (n-well) o mediante el método de doble pozo (twin-tub).
Las reglas de diseño son especificaciones geométricas que dan inmunidad frente a las tolerancias del proceso de fabricación y a efectos no deseados en funcionamiento.
El valor de la tecnología determina todas las medidas del diseño, que son múltiplos de este valor; por ejemplo, el ancho de canal h puede ser el valor de la tecnología dividido entre 2.

Ponte a prueba

Tecnología nMOS y CMOS: Fundamentos de Fabricación y Diseño

Consumo y Tamaño: Comparativa nMOS vs. CMOS

Los transistores nMOS tienen menos transistores (n+1) y no incluyen transistores pMOS, lo que resulta en un alto consumo (debido a su consumo estático). Por otro lado, los transistores CMOS poseen más transistores (2n), incluyendo transistores pMOS, lo que incrementa su tamaño. Sin embargo, su consumo es bajo, ya que solo se produce durante las transiciones.

Proceso de Fabricación de Transistores

Fabricación pMOS

El proceso de fabricación de transistores pMOS sigue los siguientes pasos:

Se parte de un sustrato tipo n.
Se deposita una capa de óxido fino.
Mediante fotolitografía, se deposita silicio policristalino.
Se retira el óxido fino no protegido por el polisilicio.
Se difunden (tras aplicar la máscara) las zonas p+ a ambos lados del polisilicio.
Se protege todo mediante óxido de silicio.
Mediante máscara, se abren huecos en el óxido de silicio para los contactos de puerta, fuente y drenador.
Se deposita metal en los contactos.

Fabricación nMOS

La fabricación de transistores nMOS se realiza de forma similar a los pMOS, partiendo de un sustrato tipo p y difundiendo zonas n+.

Fabricación CMOS

La fabricación de transistores CMOS combina los procesos de nMOS y pMOS, con la diferencia fundamental de que se necesitan ambos tipos de sustratos. Para ello, se utilizan dos métodos principales:

Creación de pozo-n (n-well): Implica depositar un sustrato tipo n sobre uno tipo p.
Método de doble pozo (twin-tub): Consiste en depositar un sustrato tipo p, una fina capa semiconductora no dopada, y luego sustratos n+ y p+.

Reglas de Diseño en la Fabricación de Circuitos Integrados

Las reglas de diseño son especificaciones de tipo geométrico que garantizan que los patrones del layout se fabricarán de forma correcta. Dichas reglas están intrínsecamente relacionadas con el proceso de fabricación, buscando obtener el mejor rendimiento posible. Su función principal es dotar de "inmunidad" frente a las tolerancias del proceso de fabricación y frente a efectos no deseados una vez que el chip se pone en funcionamiento.

Estas reglas hacen referencia a los siguientes aspectos clave:

Pozos y difusiones (considerando la difusión lateral).
Polisilicio (espaciado mínimo, anchura mínima, parámetro h).
Vías y contactos (profundidad, anchura, etc.).
Metal (espaciado mínimo, anchura mínima).
Pads.

El valor de la tecnología es un parámetro crucial, ya que determinará todas las medidas del diseño, las cuales serán múltiplos de este valor. Por ejemplo, el ancho de canal h puede ser igual al valor de la tecnología dividido por 2 (Ejemplo: h = valor tecnología / 2). Con la aplicación de estas reglas de diseño, se configuran también otras características fundamentales del chip, como la temperatura de operación, la tensión en directa de los MOSFET, y las capacidades y resistencias internas, entre otras.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia de consumo entre nMOS y CMOS?

Los transistores nMOS tienen un consumo alto debido a su consumo estático. Los CMOS tienen un consumo bajo, ya que solo se produce durante las transiciones.

¿Qué son las reglas de diseño en circuitos integrados?

Son especificaciones de tipo geométrico que garantizan que los patrones del layout se fabricarán correctamente y dan inmunidad frente a las tolerancias del proceso y a efectos no deseados.

¿Cómo se fabrica un transistor CMOS?

Combina los procesos de nMOS y pMOS y necesita ambos tipos de sustrato, que se obtienen mediante pozo-n (n-well) o mediante el método de doble pozo (twin-tub).