circuitos vlsi TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI Dr. José Fco. López Desp. 307, Pab. A lopez@iuma.ulpgc.es
Índice Introducción Fabricación de Circuitos Integrados CMOS La oblea de silicio Fotolitografía Algunos pasos de procesamiento recurrente Flujo simplificado de un proceso CMOS Layout de los Circuitos Integrados Encapsulado de los circuitos integrados Materiales de los encapsulados Niveles de interconexión
Introducción Si bien el presente curso está enfocado hacia el diseño de circuitos integrados digitales, una comprensión básica y resumida de los pasos conducentes a la obtención de un chip de silicio puede resultar bastante útil para entender las restricciones físicas que el diseñador de un circuito integrado debe cumplir. Un conjunto de máscaras ópticas forman la interfaz fundamental entre los detalles del proceso de fabricación y el diseño que el usuario desea ver convertido en silicio. Estas máscaras definen los patrones de los dispositivos electrónicos y las pistas de interconexión
Introducción
Introducción
Introducción
Introducción Si bien el presente curso está enfocado hacia el diseño de circuitos integrados digitales, una comprensión básica y resumida de los pasos conducentes a la obtención de un chip de silicio puede resultar bastante útil para entender las restricciones físicas que el diseñador de un circuito integrado debe cumplir. Un conjunto de máscaras ópticas forman la interfaz fundamental entre los detalles del proceso de fabricación y el diseño que el usuario desea ver convertido en silicio. Estas máscaras definen los patrones de los dispositivos electrónicos y las pistas de interconexión Estos patrones deben cumplir con ciertas restricciones en lo que respecta a sus anchuras y separaciones mínimas para que los circuitos resultantes sean completamente operativos. A estas restricciones se las denomina reglas de diseño.
Fabricación de circuitos integrados CMOS El proceso de fabricación CMOS requiere que se construyan transistores tanto de canal n (NMOS) como de canal p (PMOS) sobre un mismo material de silicio. polisilicio substrato tipo p pozo n
Fabricación de circuitos integrados CMOS El proceso de fabricación CMOS requiere que se construyan transistores tanto de canal n (NMOS) como de canal p (PMOS) sobre un mismo material de silicio. polisilicio PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n substrato tipo p pozo n
Fabricación de circuitos integrados CMOS El proceso de fabricación CMOS requiere que se construyan transistores tanto de canal n (NMOS) como de canal p (PMOS) sobre un mismo material de silicio. polisilicio NMOS: se crea en substrato tipo-p o pozo-n PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n substrato tipo p pozo n
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS El proceso de fabricación CMOS requiere un gran número de pasos. varios de dichos pasos se ejecutan de manera muy repetitiva a lo largo del proceso de fabricación.
Fabricación de circuitos integrados CMOS La oblea de silicio El material base para el proceso de fabricación viene en forma de una oblea monocristalina ligeramente dopada. Estas obleas tienen un diámetro entre 10 y 30 cm. y un espeso de, como mucho, un mm. Se obtienen cortando un lingote monocristalino en rodajas muy finas. Una métrica importante es la densidad de defectos del material de base. Las densidades de defectos altas hacen que se incremente el porcentaje de circuitos no operativos y, consecuentemente fuerzan un incremento en el coste del producto final.
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS Fotolitografía En cada paso de procesamiento, una cierta área del chip se enmascara utilizando una máscara óptica apropiada, de modo que el paso de procesamiento deseado pueda ser aplicado de manera selectiva a las regiones restantes. El paso de procesamiento puede ser uno cualquiera de entre una amplia variedad de tareas: oxidación, grabación, deposición de metal, deposición de polisilicio, implantación de iones. La técnica utilizada para realizar este enmascaramiento selectivo se denomina fotolitografía
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS Proceso fotolitográfico
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS Veamos el ejemplo del proceso fotolitográfico de grabación de una capa de óxido de silicio
Fabricación de circuitos integrados CMOS Oxidación superficial: Se deposita una fina capa de polisilicio sobre la oblea. El óxido se utiliza como capa de aislamiento y también para formar la puerta de los transistores. SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Recubrimiento con fotorresist: Se aplica uniformemente un polímero fotosensible de un espesor aproximado de 1m. Este material es de partida soluble mediante un disolvente orgánico, pero tiene la propiedad de que los enlaces poliméricos se entrecruzan cuando se le expone a la luz, haciendo que las regiones afectadas se vuelvan insolubles (tipo negativo). Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Exposición: Se sitúa muy próximo a la oblea una máscara con el patrón que queremos transferir al silicio y se expone a continuación a luz ultravioleta. Donde la máscara es transparente, el fotorresist se vuelve insoluble insoluble Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Revelado de fotorresist y horneado: Las obleas se revelan mediante una solución ácida o básica para eliminar las áreas no expuestas de fotorresist. Posteriormente la oblea se hornea a baja temperatura para endurecer el fotorresist restante Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Grabado mediante ácido: Se elimina parte del material de forma selectiva de aquellas áreas de la oblea que no están cubiertas por fotorresist. Esto se lleva a cabo mediante soluciones ácidas, básicas y cáusticas, en función del material que haya que eliminar. Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Centrifugado, aclarado y secado: Una herramienta especial limpia la oblea con agua desionizada y la seca con nitrógeno. para evitas defectos debidos a suciedad, los pasos de procesamiento se llevan a cabo en “salas blancas” en las que el número de partículas de polvo por metro cúbico de aire está comprendido entre 10 y 100. Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Pasos diversos de procesamiento: El área expuesta puede ahora ser sujeta a un amplio rango de pasos de procesamiento, tales como la implantación de iones, grabación mediante plasma, deposición de metal… Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Eliminación del fotorresist: Se utiliza un plasma a alta temperatura para eliminar selectivamente el fotorresist restante, sin dañar las capas del dispositivo. Fotorresist SiO2 Substrato de Si
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Muchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que se efectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunas partes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenador)
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Muchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que se efectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunas partes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenador) Existen dos enfoques para la introducción de estos dopantes: Implantación por difusión Implantación iónica En ambas técnicas, el área que se quiere dopar se ve expuesta, mientras que el resto de la oblea se recubre con una capa de material protector, típicamente SiO2.
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Muchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que se efectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunas partes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenador) Existen dos enfoques para la introducción de estos dopantes: Implantación por difusión Implantación iónica Las obleas se colocan en un tubo de cuarzo situado en un horno caliente. Se introduce en el tubo un gas que contiene el dopante. Las altas temperaturas del horno hacen que los dopantes se difundan en la superficie expuesta tanto vertical como horizontalmente.
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Muchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que se efectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunas partes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenador) Existen dos enfoques para la introducción de estos dopantes: Implantación por difusión Implantación iónica Los dopantes se introducen en forma de iones dentro del material. El sistema de implantación de iones dirige un haz de iones purificados sobre la superficie del semiconductor y barre esta con el haz.
Ejemplo de implantación iónica para crear un pozo Fabricación de circuitos integrados CMOS Ejemplo de implantación iónica para crear un pozo tipo-n
Fabricación de circuitos integrados CMOS Fotorresist Óxido de silicio Substrato tipo-p
Fabricación de circuitos integrados CMOS Fotorresist Óxido de silicio Substrato tipo-p Pozo-n
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Todo proceso CMOS requiere la deposición repetitiva de capas de un material sobre la oblea completa, con el fin de actuar como material base para un paso de procesamiento, o como capas aislantes o conductoras. Algunos ejemplos son: Polisilicio Capas de interconexión de aluminio …
Fabricación de circuitos integrados CMOS Algunos pasos de procesamiento recurrente Una vez depositado un material, se emplean de manera selectiva técnicas de grabación para formar patrones tales como pistas de interconexión y agujeros de contacto
Ejemplo de fabricación de un inversor CMOS a nivel de máscaras Fabricación de circuitos integrados CMOS Ejemplo de fabricación de un inversor CMOS a nivel de máscaras
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fabricación de circuitos integrados CMOS
Mide dos veces, fabrica una vez!!!! Layout de los Circuitos Integrados Mide dos veces, fabrica una vez!!!!
Layout de los Circuitos Integrados Diseñado Fabricado
Layout de los Circuitos Integrados Anchura Espaciado Overlapping Exclusión Cubrimiento
Layout de los Circuitos Integrados Layer Polysilicon Metal1 Metal2 Contact To Poly Contact To Diffusion Via Well (p,n) Active Area (n+,p+) Color Representation Yellow Green Red Blue Magenta Black Select (p+,n+)
Layout de los Circuitos Integrados Anchura Espaciado Overlapping Exclusión Cubrimiento Podemos usar reglas de diseño utilizando unidades absolutas, pero ¿qué ocurre si cambiamos de tecnología?
Layout de los Circuitos Integrados
Layout de los Circuitos Integrados
Layout de los Circuitos Integrados
Layout de los Circuitos Integrados
Layout de los Circuitos Integrados
Layout de transistores tipo nMOS y pMOS Layout de los Circuitos Integrados Layout de transistores tipo nMOS y pMOS
Layout de los Circuitos Integrados Difusión tipo n
Layout de los Circuito Integrados Polisilicio
Layout de los Circuito Integrados Contactos
Layout de los Circuito Integrados Metal 1
Layout de los Circuito Integrados Implantación tipo n
Layout de los Circuito Integrados Difusión tipo p
Layout de los Circuito Integrados Polisilicio
Layout de los Circuito Integrados Contactos
Layout de los Circuito Integrados Metal 1
Layout de los Circuito Integrados Implantación tipo p
Layout de los Circuito Integrados Pozo tipo n
Layout de los Circuito Integrados
Layout de los Circuito Integrados Nuestro primer inversor CMOS!!!
Layout de los Circuito Integrados
Encapsulado de los Circuitos Integrados El encapsulado de un CI juega un papel fundamental en la operación y las prestaciones de un componente: Proporciona un medio para que las señales y las líneas de alimentación entren y salgan del dado de silicio Eliminan el calor generado por el circuito Proporcionan un soporte mecánico Protege el chip contra condiciones ambientales como la humedad Actualmente, hasta un 50% del retardo de un CI se produce en el encapsulado
Encapsulado de los Circuitos Integrados Un buen encapsulado debe cumplir con una gran variedad de requisitos: Requisitos eléctricos: Los terminales deben mostrar una baja capacitancia, baja resistencia y baja inductancia Propiedades mecánicas y térmicas: La velocidad de disipación de calor debe ser lo más alta posible. Para que el circuito sea fiable, es preciso que haya una conexión resistente entre el dado y el encapsulado y entre este y la tarjeta Bajo coste: Los encapsulados cerámicos tienen unas prestaciones superiores a los encapsulados de plástico, pero son bastante más caros. Incrementar la velocidad de disipación de calor del encapsulado también incrementa su coste. Los encapsulados plásticos más baratos pueden disipar hasta 1W o 2W. Para disipaciones mayores se utilizan encapsulados cerámicos o el empleo de ventiladores, mecanismos de enfriamiento mediante líquidos o conductos de calefacción
Encapsulado de los Circuitos Integrados Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas: Materiales de los encapsulados: Materiales cerámicos Materiales polímeros (materiales plásticos) Niveles de interconexión: Nivel de interconexionado 1: dado-substrato Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta
Encapsulado de los Circuitos Integrados Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas: Materiales de los encapsulados: Materiales cerámicos Materiales polímeros (materiales plásticos) Niveles de interconexión: Nivel de interconexionado 1: dado-substrato Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta Lead Frame Substrate Die Pad
Encapsulado de los Circuitos Integrados Lead Frame Substrate Die Pad
Encapsulado de los Circuitos Integrados
Encapsulado de los Circuitos Integrados
Encapsulado de los Circuitos Integrados
Encapsulado de los Circuitos Integrados Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas: Materiales de los encapsulados: Materiales cerámicos Materiales polímeros (materiales plásticos) Niveles de interconexión: Nivel de interconexionado 1: dado-substrato Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta
Encapsulado de los Circuitos Integrados
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Encapsulado de los Circuitos Integrados Microprocesador 68040 de Motorola con 4 SRAM en un mismo empaquetado
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