Creando un MOSFET N

Vamos a crear nuestro primer MOSFET-N con Magic. Se construye dibujando 2 rectángulos: uno para marcar las zonas N, y otro para el polisilicio de la puerta. A partir de estos dos rectángulos, magic calcula los parámetros necesarios para la fabricación del mosfet

Lo construiremos de forma incremental, a la vez que aprendemos las diferentes opciones de Magic, y practicamos con ellas

Dibujando una Zona N mínima

La zona N mínima que podemos dibujar está determinada por el tamaño del grid, que lo hemos fichado en 0.050um x 0.050um (50nm x 50nm). Este es el tamaño que tiene la caja actual. Pulsamos ctrl-z para verlo centrado y a su mayor tamaño

Nos fijamos que se cumples las reglas DRC (básicamente porque NO hay diseñado nada todavía)

Para dibujar una zona N en la caja actual, ejecutamos este comando: paint ndiffusion. Esto es lo que nos aparece en la consola de magic:

En la ventana del diseño vemos que la caja se pone de color verde, y en los cuadrados del grid superior y derecho aparece un patrón de puntitos

También observamos que el DRC FALLA: Hay 2 errores. Esto es debido a que NO se puede construir una zona N tan pequeña, con la tecnología sky130, sino que hay unas dimensiones mínimas. Pero vamos a investigar sobre esto

Para ver el diseño completo, pinchamos en windows/full view o bien apretamos la tecla v

Ahora se ven todas las cuadrículas nuevas. Por la parte superior hay 2 que indican la presencia de errores, y por la parte derecha hay otras 2 también de errores. Los patrones de relleno de estas capas se pueden ver en la parte derecha. Ahí vemos las capas ndifussion y errors

Viendo los errores de DRC

Para ver los errores pinchamos en Options/DRC Manager

Se nos abre una ventana nueva, donde nos indica la regla que se está violando: Diffusion width < 0.15um (diff/tap.1)

Lo que significa es que la zona de difusión N tiene unas dimensiones menores que las mínimas permitidas. Las mínimas son de 0.15um. Esto es lo que nos indican las cuadrículas de la capa de error: Al menos, tanto la anchura como la altura de la zona n tiene que ocupar 3 cuadrículas

Ampliando la anchura de la zona N

Vamos a solucionar primero el problema de la anchura. La anchura actual es de 0.050um, pero debe ser al menos de 0.150um. Situamos el puntero del ratón cerca de la zona donde queremos que se sitúe la esquina superior derecha de la nueva caja y pulsamos el botón derecho del ratón

Se dibuja una nueva caja que mantiene la esquina inferior izquierda en el mismo sitio que antes, pero sitúa la esquina superior derecha en el nuevo punto (alineado con la cuadrícula)

Ahora pintamos la nueva zona, ejecutando el comando paint ndiffusion, igual que antes

Ahora sólo queda 1 error de DRC. Se muestra en la capa errors las cuadrículas que deberían ser zonas de difusión n, es decir, hay que ampliar la altura para que sea de al menos 0.150um

Ampliando la altura de la Zona N

Repetimos el proceso. Con el botón derecho seleccionamos el punto de la cuadrícula donde queremos que se sitúe la esquina superior derecha de la caja

Y la convertimos en zona de difusión n. Ahora ya sí se cumplen las reglas DRC, y no hay errores

Hemos dibujado la zona N mínima

Zona N definitiva

Cuando creamos un mosfet N, la zona N tiene que ser más grande, para cumplir con todas las reglas de diseño. Su tamaño tiene que ser al menos de 0.650um x 0.450um. Así que la vamos a crear desde 0

Partimos del estado anterior, donde la caja rodea toda la zona N. Ejecutamos el comando erase y la zona desaparece, pero la caja sigue estando

Ahora vamos a poner una zona N de 0.65 x 0.45 (um) en el origen. Utilizamos el comando box 0 0 0.65 0.45 seguido de paint ndiffusion

La Zona N definitiva está lista

Colocando el Polisilicio

Lo siguiente es colocar la zona de polisilicio que atraviesa la zona N, para generar las dos zonas N, una a la izquierda y otra a la derecha, y la conexión con la puerta. Para no violar las reglas DRC, el polisilicio debe sobresalir 0.15um por arriba y por abajo

Primero marcamos la casilla donde va a estar la esquina inferior izquierda del polisilicio. Esto lo hacemos apretando el botón izquierdo del ratón

Se sitúa la caja actual con su esquina inferior izquierda en la cuadrícula indicada, ajustada al grid. Ahora posicionamos el ratón en la esquina superior derecha de la zona donde queremos que esté el polisicio

Apretamos el botón derecho y aparece la nueva caja

Escribimos paint polysilicon para convertirla en la zona de polisilicio

En la pantalla gráfica vemos el polisilicio. Observamos que NO HAY ERRORES DE DRC

¡Ya tenemos la base de nuestro primer MOSFET!

En el MOSFET N hay 3 capas:

• ndifussion: Las 2 zonas N, que aparecen delimitadas por el polisilicio. Se dibuja una única zona N y magic calcula las dos a partir de la intersección con el polisilicio
• polysilicon: La capa de polisilicio que hemos dibujado. Magic calcula su intersección con la zona N y divide esta capa en dos zonas. Una de polisilio puro, que sobresale por la zona N y la zona de intersección que conforma la siguiente capa (ntransistor)
• ntransistor: Es la capa de intersección entre la zona N y el polisilicio. En la fabricación del chip esta zona se dopa para que haya muchos electrones libres y la puerta del transistor conduzca

Mostrando/ocultando capas

Todas las capas definidas en la tecnología Sky130A se encuentran en el panel de la derecha, como ya hemos visto. Es posible ocultar las capas visibles, así como volver a mostrarlas. Para ocultar hay que pinchar en la capa correspondiente usando el botón derecho del ratón

En esta imagen vemos cómo se ha ocultado la capa ntransistor. Podemos ver que efectivamente ahora la zona N se ha dividido en 2 zonas N

Para volver a visualizar cualquier capa basta con pinchar en la capa y usar el botón izquierdo

Conectando la fuente

Vamos a aprender a realizar conexiones a la fuente y el drenador, que son iguales. Ambos parten de la capa ndiffusion

El punto de partida es una zona N cruzada por el polisilicio, como en el apartado anterior, pero con la geometría ligeramente cambiada: más espacio en las zonas N para que quepan los contactos nuevos que vamos a añadir. Ampliar esta zona es algo que ya sabemos hacer, y se deja como ejercicio. Para saber las dimensiones exactas, sólo hay que contar cuadrículas de la rejilla

El objetivo es conectar la zona N de la fuente con un contacto metálico, que es el que sale fuera del chip. Las conexiones están en capas independientes a mayor altura que el substrato. Estas capas de conexión están separadas, y son independientes. Por eso hay que añadir contactos entre ellas, que reciben el nombre de vías

La cantidad de capas de interconexión y de vías a diferentes niveles depende de la tecnología usada. Para el caso de sky130, que es el que estamos utilizando, la información se encuentra en una figura en este enlace de Tinytapeout: Skywater’s 130 nm. Se reproduce aquí la figura para tenerla más a mano:

En esta figura se definen todos los parámetros de esta tecnología, así como las diferentes capas. Como hemos visto en magic, la cosa es más compleja, y existen muchas más capas, pero en este tutorial iremos resumiento la información necesaria, para simplificarlo todo

Este es el modelo 3D con las capas que tenemos de partida

Las capas de conexionado están a diferentes niveles. Para pasar de una a otra hay que utilizar las vías. La primera capa que hay se denomina li en la documentación (local interconection). Su uso es para realizar conexiones locales dentro del diseño actual. Se definen conexiones locales como aquellas que NO salen al exterior. Típicamente son conexiones cortas. A nivel de fabricación se usa un material especial (Nitruro de titanio) que soporta altas temperaturas

La capa li recibe el nombre de locali en magic. Para acceder a ella hay que colocar una vía. Las vías de conexión a li dependen del material que hay en la capa 0. En nuestro caso el material es tipo N y la vía tiene que ser capaz de conectarse bien a ese material. Por ello a nivel genérico estas vías, las que van del sustrato al bus li reciben el nombre genérico de licon (Conexiones a li). Pero en la práctica hay que usar tipos diferentes según el material del sustrato

Como la fuente es tipo n, tenemos que usar en magic la capa ndcontact, que define un contacto entre la zona N y li. Magic además genera las capas intermedias necesarias para realizar este contacto, pero no necesitamos entrar en tantos detalles

Así que vamos a colocar el contacto ndcontact. Colocamos la caja como se indica en esta figura. El tamaño mínimo del contacto es de 4x4 cuadros del grid

Pinchamos con el botón central del ratón en la capa ndcontact. Nos aparece el contacto. En magic todos los contactos tiene forma de X.

Además observamos que aparecen errores de DRC. Son debidos a que todavía NO hemos metido la capa locali. Nos indican que esta capa no tiene el área mínima requerida (claro, al no estar, tiene área 0), y que tampoco hay un solape entre el contacto y esta área

Colocamos la caja como se indica en la figura para crear la capa locali. Tiene que tener un tamaño lo suficientemente grande como para contener el ndcontact y también la vía que pondremos después para conectar con la capa metal1

Nos aparece la capa locali. Ahora ya NO hay errores de DRC

Ya tenemos conectada la capa locali con la capa ndifussion de nuestra fuente, a través de la vía ndcontact. Vamos a verificar que magic detecta que ambas capas están conectadas. Situamos el cursor dentro de la capa locali

Pulsamos la tecla s. Se nos selecciona la parte de locali que llega hasta el comienzo de ndcontact

Si volvemos a pulsar s, se seleccion la capa completa locali y la vía ndcontact. Es así porque ambas están conectadas

Si apretamos s una vez más, se selecciona también la zona N de la fuente

Se han selecciona todas las zonas que están conectas. Si no hubiésemos conectado la vía ndcontact serían capas independiente. Es una forma sencilla de comprobar que nuestro diseño está bien hecho

El siguiente paso es conectar la fuente del transistor a la capa metálica, porque la queremos llevar a las patas del chip para realizar pruebas. La siguiente capa de condución es metal1 y para llegar a ella hay que colocar una vía en la capa locali que se llama viali (en la documentación de skywater la denomina mcon). NO ES POSIBLE conectar la fuente directamente a metal1, sino que hay que pasar obligatoriamente por locali

En este dibujo 3D se muestran las dos nuevas capas que necesitamos, viali y metal1

Vamos a crear ambas capas en magic. Antes hemos empezado colocando primero la vía, y hemos visto cómo aparecían errores de DRC porque una vía debe conectar dos capas. Ahora, para probar, vamos a colocar primero la capa metal1. Lo primero es dibujar la caja. Tiene que superposerse con locali (para que la vía que coloquemos luego entre en contacto con ambas capas) y extenderse hacia la izquierda

Ahora pinchamos con el botón central sobre la capa metal1, para crearla

Comprobamos que NO HAY ERRORES DRC. Si ponemos el cursor en la parte saliente de metal1 (donde NO hay interseccion con locali) y apretamos la tecla s, veremos que NO SE SELECCIONA ningún rectangulo adicional. Esto significa que metal1 está AISLADA. Es una capa SIN CONECTAR

Para conectar ambas capas usamos viali. Hacemos como siempre. Primero situamos la caja. Le damos unas dimensiones igual que la otra vía, de 4x4 con este grid

Con el botón central pinchamos en viali para colocar la vía

Ahora todas las capas están unidas, desde metal1 (superior) hasta ndiffusion (inferior), pasando por la intermedia locali

Para comprobarlo situamos el cursor en la parte saliente de metal1

Al apretar s la primera vez se selecciona la parte metálica hasta llegar a viali. Si se aprieta una segunda vez, se selecciona toda la capa metal1 y viali, y si pulsamos una tercera vez se seleccionan todas las capas: metal1, locali, viali, ndcontact y ndiffusion. Son todas las capas relacionadas con la fuente del MOSFET N

El último paso para finalizar la conexión es nombrar el contacto metálico. Lo vamos a denotar como SOURCE. Para ello situamos el cursor en el punto de la capa metálica donde queremos colocar el nombre y pulsamos el botón izquierdo y derecho del ratón para obtener un punto (es un rectángulo degenerado en un punto)

En la consola de magic escribimos el comando label SOURCE

En el diseño vemos que aparece la etiqueta SOURCE en el punto que teníamos seleccionado

Si usamos la tecla s para seleccionar todo el nodo completo, también veremos el nombre de ese nodo: SOURCE

El último paso es convertir la etiqueta en un puerto. Ejecutamos el comando port make

La etiqueta cambia a color azul para indicar que es un puerto

Ya está la FUENTE terminada

Conectando la puerta

Para conectar la puerta primero temos que agrandar la parte del polysilicio para que rodee por completo la vía que pondremos más adelante

Lo siguiente es colocar el contacto, que se denomina pcontact. Lo situamos en el interior del polisilicio

Y pulsamos el botón central del ratón

Aparece la vía, pero salen errores de DRC porque todavía NO hemos colocado la capa locali. La añadimos a continuación, como ya sabemos

Desaparecen los errores de DRC. Ahora añadimos la vía viali para la conexión con la capa de metal. Salen también errores de DRC porque todavía no tenemos la capa metal1

Colocamos la capa metal1 y desaparecen los errores de DRC

Por útimo ponemos la etiqueta GATE y la convertimos a un puerto ejecutando los comandos

label GATE
port make

Utilizamos la tecla s para seleccionar toda la puerta, y comprobar que las conexiones son correctas

Así es como queda en 3D lo que llevamos construido

Conexión con el sustrato

El sustrato-p hay que sacarlo también al exterior, para conectarlo a GND. Para su conexión primero hay que crear una zona con extra de portadores p que se denomina psubstratepdiff. Primero dibujamos la caja y luego apretamos con el botón central del ratón en la capa psubstratepdiff

Aparece la capa sin ningún error de DRC

Colocamos la capa locali, con un tamaño igual a las aneriores. No aparecen errores de DRC

Para conectar el sustrato-p con locali hay que utilizar un contacto de tipo psusbstratepcontact

Colocamos la capa metal1 y la vía viali, igual que con la fuente y la puerta

Por último creamos la etiqueta VSUBS y la convertimos en un puerto con los comandos:

label VSUBS
make port

Comprobamos con la tecla s que hay conexión entre todas las capas

El sustrato P ya lo tenemos accesible desde un contacto metálico

Este es el modelo 3D de lo que llevamos hasta ahora

Conexión con el drenador

Para conectar el drenador hacemos exactamente lo mismo que con la fuente. Hay que colocar una vía ndcontact, la capa locali, la vía viali y la capa metal1. Con la tecla s comprobamos que todas las capas del drenador están conectadas

Así es como queda el diseño final del mosfet, con la rejilla activada:

Y este es el diseño final sin la rejilla

Y este es el modelo 3D final