Circuitos Integrados (Integrated Circuits - IC) En un IC se implementa un circuito electrónico completo (Resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc) realizado sobre el mismo circuito semiconductor (Substrato).

A 741 I P DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO D,P: Plástico J, N: Cerámico M: Metálico A 741 I P FABRICANTE AD Analog Devices A Fairchild CR RCA LM National Semiconductor MC Motorola NE/SE Signetics OP Precision Monolithics RC/RH Raytheon SG Silicon General TL Texas Instrument RANGO TEMPERATURA C: Comercial 0ºC hasta 70ºC I: Industrial -40ºC hasta 85 ºC M: Militar -55ºC hasta 125 ºC DESIGNADOR Nombre/función del dispositivo 741 Amplificador de propósito general 081 Amplificador entrada FET 311 Comparador rápido

Encapsulado típico DIL - 6 DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO 1 2 3 4 5 6 Pin número 1 Orden para numerar los pines Encapsulado típico DIL - 6 DIL = Dual In Line SIL = Serial In Line

Transistor 2 Transistores 2.300 Transistores 42 millones de transistores 1945 ENIAC 1er Computador válvulas 1948 Transistor Lab. Bell Schokley, Brattain, Bardeen 1958 Primer IC Kilby 1960 MOSFET 1971 Primer P 4004 INTEL 2001 Pentium IV INTEL La evolución del tamaño de los circuitos integrados ha sido espectacular. Teniendo sus máximos de capacidad de integración, en el mundo de la Electrónica Digital (Microprocesadores)

LOS CIRCUITOS INTEGRADOS PUEDEN LLEGAR A TENER MUCHÍSIMOS COMPONENTES REALIZADOS SOBRE EL MISMO CIRCUITO INTEGRADO Buscando errores sobre un esquema de un Circuito Integrado

CIRCUITOS INTEGRADOS: UNA AUTENTICA REVOLUCIÓN Hoy día podemos considerar a los circuitos integrados como componentes electrónicos. El diseño de aplicaciones con componentes sueltos (o discretos) (diodos, transistores, resistencias, condensadores, etc) cada vez está mas restringido a aplicaciones muy especiales (Electrónica de potencia, muy altas frecuencias, etc). Hoy día podemos decir que existen una variedad de circuitos integrados "casi" específicos para nuestra aplicación: Electrónica Analógica (amplificadores, comparadores, multiplicadores, generadores de señal, etc) Electrónica Digital (microprocesadores, conversores A/D y D/A, etc) Comunicaciones (Emisores, receptores, etc) Electrónica de Potencia (Circuitos de control de motores, Drivers, etc) Y una multitud de ejemplos mas (solo hay que ver las páginas web de los distintos fabricantes (MOTOROLA, TEXAS, IR, SGS, NATIONAL, etc). ES PRÁCTICAMENTE IMPOSIBLE CONOCER TODOS LOS CIRCUITOS INTEGRADOS EXISTENTES EN EL MERCADO. DEBEMOS SABER BUSCAR EL NECESARIO PARA NUESTRA APLICACIÓN

MUNDO EXTERIOR NUESTRA LABOR COMO INGENIERO/DISEÑADOR CONSISTIRÁ EN: 1.- Identificación y comprensión del problema 2.- Selección y búsqueda del Circuito Integrado mas adecuado 3.- Comprensión del funcionamiento del integrado. Estudio de sus hojas características (Datasheet) 4.- Diseño del interface con el mundo exterior INTERFACE MUNDO EXTERIOR Selección del Circuito Integrado

Procesos de fabricación de circuitos integrados Ejemplo: secciones transversales de bipolar y MOSFET

Crecimiento (Czochralski) Procesos de fabricación de circuitos integrados PROCESOS: Preparación de la oblea Fabricación de las máscaras Litografía Adición de material Eliminación de material Test de la oblea, separación y encapsulado 1) Preparación de la oblea: Crecimiento (Czochralski) Conformado Cortado Grabado Pulido

Procesos de fabricación de circuitos integrados 2) Fabricación de máscaras Máscara completa de una oblea x1, con patrón de dado repetido para cada posición (b) Máscara de dado individual con una copia del dado amplificado en x5 o x10

Procesos de fabricación de circuitos integrados 2) Fabricación de máscaras Litografía de proyección óptica de la oblea completa (b) Litografía directa sobre oblea Cinta PG Cinta PG Fabricación óptica de la retícula Retícula x10 Reducción y repetición Máscara x1 Proyección óptica directa Litografía Fabricación de máscaras Proyección óptica de la retícula mediante haz de electrones Fabricación de máscaras Retícula x5 o x10 Reducción óptica y repetición de la retícula sobre la oblea Litografía

Procesos de fabricación de circuitos integrados 3) Litografía Exposición de máscaras y revelado empleando resina fotosensible positiva

Capa epitaxial (epi): 2 a 25 mm Procesos de fabricación de circuitos integrados 4) Adición de material Dimensiones típicas: 4.1.) Crecimiento epitaxial Capa epitaxial (epi): 2 a 25 mm - Se introducen dopantes B(P) y As(N) Proceso LPCVD SiCl4+2H2 - >Si+4HCl En torno a 1000-1200ºC Sustrato: 100 a 300 mm 4.2.) Deposición química en fase vapor a baja presión (LPCVD) Usado en: Polisilicio (SiH4 ->Si+2H2) Óxido de aislamiento (SiH4+O2->SiO2+2H2) En torno a 400-500ºC

Procesos de fabricación de circuitos integrados 4) Adición de material 4.3.) Oxidación térmica Calentamiento a 700-1300ºC Usado para realizar el óxido de campo 4.4.) Difusión e implantación iónica Implantación iónica: Aceleración de partículas e implantación 1-2 micras bajo la superficie Proceso de recocido (calentamiento) para uniformizar Difusión: Calentamiento en atmósfera de impurezas Se generan “huecos” por el movimiento y penetran las impurezas

Procesos de fabricación de circuitos integrados 4) Adición de material 4.5.) Metalizaciones (interconexiones) Formas de interconectar (dos niveles): Un nivel de polisilicio + Un nivel de metal Un nivel de polisiliciuro (polisilicio+metal) + Un nivel de metal Dos niveles de metal Resistividades: Polisilicio es aproximadamente 3 veces la del metal Polisilicio es aproximadamente 10 veces la del polisiliciuro

Procesos de fabricación de circuitos integrados 5) Eliminación de material 5.1) Litografía y grabado Máscara 3) Después del atacado 1) Vista transversal de partida 2) Después de la litografía 4) Después de eliminar la película

Procesos de fabricación de circuitos integrados 5) Eliminación de material 5.2) Atacado húmedo Se sumerge en un baño de disolvente Limitado a tamaños mayores de 2 micras Aparece efecto de ataque lateral Para evitarlo se usan materiales anisótropos para el atacado 1) Después del atacado 2) Después de eliminar la película

Sistema de ataque por plasma mediante placas paralelas Procesos de fabricación de circuitos integrados 5) Eliminación de material 5.3.) Atacado seco CF4(gas inerte)+Si +Temperatura -> SiF4 Una descarga elimina el Si Sistema de ataque por plasma mediante placas paralelas

Procesos de fabricación de circuitos integrados 6) Test de la oblea, separación y encapsulado Test con puntas de prueba Se somete a un conjunto de “vectores de test” Oblea Dados defectuosos (marcaje con tinta) Cortado

Procesos de fabricación de circuitos integrados 6) Test de la oblea, separación y encapsulado Encapsulado: hilos de conexión y formatos

EJEMPLO ILUSTRATIVO DE CIRCUITO INTEGRADO Es un circuito ficticio con propósito educativo, que tiene como único objetivo el visualizar de una forma sencilla los pasos y procesos físico/químicos que se siguen para obtener un IC. La explicación esta muy simplificada. OBJETIVO A B C 1 2 3 4 5 6 7 8 NC DIP 8 A B C PASOS A DAR PARA OBTENER UN IC CON ESTE CIRCUITO BÁSICO

PUNTO DE PARTIDA: OBLEA DE SILICIO "DADO" DE UN CIRCUITO INTEGRADO SE FABRICAN MUCHOS CIRCUITOS INTEGRADOS A LA VEZ SOBRE LA MISMA OBLEA. Lugar: SALA BLANCA. MICROELECTRÓNICA. PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOS

SILICIO MONOCRISTALINO TIPO P Oblea de silicio DETALLE DE UNO DE LOS DADOS P ESPESOR TÍPICO 150  SUBSTRATO SILICIO MONOCRISTALINO TIPO P P

CRECIMIENTO EPITAXIAL CAPA EPITAXIAL 25  P 150  CAPA EPITAXIAL P

PROCESOS DE DIFUSIÓN PELICULA FOTOSENSIBLE CAPA DE OXIDO (Si O2) N P

LUZ N P MASCARA 1: ISLAS, ZONA DE COLECTOR

N P N 1º REVELADO PELÌCULA (ELIMINACIÓN DONDE HA DADO LA LUZ) 2º DECAPADO DE LA CAPA DE OXIDO QUE NO ESTA PROTEGIDA N P N

PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE P (Grupo III: In, Al, Ga, B) ISLA N N P P P P P

LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE

NUEVA PELÍCULA FOTOSENSIBLE

LUZ N N N P P P P P MASCARA 2 MÁSCARA 2: ZONAS DE BASE

P P N

PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE P (Grupo III: In, Al, Ga, B)

LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE

NUEVA PELICULA FOTOSENSIBLE

LUZ P P N N N P P P P P MASCARA 2 MÁSCARA 3: EMISOR

P P N N N P P P P P

PROCESO DE DIFUSIÓN CON DOPANTE N (Grupo V: Sb, As, Bi)

LIMPIEZA DE LA PELICULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE

LUZ P P N N N P P P P P MÁSCARA 4: METALIZACIONES

P P N N N P P P P P

P P N N N P P P P P

P N P N N N P P P P P

N P P N N N P SUBSTRATO UNIDO AL PUNTO MAS NEGATIVO DEL CIRCUITO (PARA QUE NO MOLESTE) B P N A N P P N N C

ACABADO FINAL: CORTE, ENCAPSULADO Y CONEXIONADO 1 2 3 4 5 6 7 8 NC DIP 8 DETALLE DEL CONEXIONADO "WIRE-BONDING" OTROS ENCAPSULADOS

DETALLE DE UN CIRCUITO REAL

EJEMPLO TÍPICO DE CIRCUITO INTEGRADO DE PROPÓSITO GENERAL: DIP-8