circuitos vlsi TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI

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1 circuitos vlsi TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI
Dr. José Fco. López Desp. 307, Pab. A

2 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

3 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

4 Introducción

5 Introducción

6 Introducción

7 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.

8 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

9 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

10 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

11 Fabricación de circuitos integrados CMOS

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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.

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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.

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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

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19 Fabricación de circuitos integrados CMOS
Proceso fotolitográfico

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Veamos el ejemplo del proceso fotolitográfico de grabación de una capa de óxido de silicio

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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

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Recubrimiento con fotorresist: Se aplica uniformemente un polímero fotosensible de un espesor aproximado de 1m. 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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

30 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)

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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.

32 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.

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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.

34 Ejemplo de implantación iónica para crear un pozo
Fabricación de circuitos integrados CMOS Ejemplo de implantación iónica para crear un pozo tipo-n

35 Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fotorresist Óxido de silicio Substrato tipo-p

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Fotorresist Óxido de silicio Substrato tipo-p Pozo-n

37 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 …

38 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

39 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

40 Fabricación de circuitos integrados CMOS

41 Fabricación de circuitos integrados CMOS

42 Fabricación de circuitos integrados CMOS

43 Fabricación de circuitos integrados CMOS

44 Fabricación de circuitos integrados CMOS

45 Fabricación de circuitos integrados CMOS

46 Fabricación de circuitos integrados CMOS

47 Fabricación de circuitos integrados CMOS

48 Fabricación de circuitos integrados CMOS

49 Fabricación de circuitos integrados CMOS

50 Fabricación de circuitos integrados CMOS

51 Fabricación de circuitos integrados CMOS

52 Fabricación de circuitos integrados CMOS

53 Mide dos veces, fabrica una vez!!!!
Layout de los Circuitos Integrados Mide dos veces, fabrica una vez!!!!

54 Layout de los Circuitos Integrados
Diseñado Fabricado

55 Layout de los Circuitos Integrados
Anchura Espaciado Overlapping Exclusión Cubrimiento

56 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+)

57 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?

58 Layout de los Circuitos Integrados

59 Layout de los Circuitos Integrados

60 Layout de los Circuitos Integrados

61 Layout de los Circuitos Integrados

62 Layout de los Circuitos Integrados

63 Layout de transistores tipo nMOS y pMOS
Layout de los Circuitos Integrados Layout de transistores tipo nMOS y pMOS

64 Layout de los Circuitos Integrados
Difusión tipo n

65 Layout de los Circuito Integrados
Polisilicio

66 Layout de los Circuito Integrados
Contactos

67 Layout de los Circuito Integrados
Metal 1

68 Layout de los Circuito Integrados
Implantación tipo n

69 Layout de los Circuito Integrados
Difusión tipo p

70 Layout de los Circuito Integrados
Polisilicio

71 Layout de los Circuito Integrados
Contactos

72 Layout de los Circuito Integrados
Metal 1

73 Layout de los Circuito Integrados
Implantación tipo p

74 Layout de los Circuito Integrados
Pozo tipo n

75 Layout de los Circuito Integrados

76 Layout de los Circuito Integrados
Nuestro primer inversor CMOS!!!

77 Layout de los Circuito Integrados

78 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

79 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

80 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

81 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

82 Encapsulado de los Circuitos Integrados
Lead Frame Substrate Die Pad

83 Encapsulado de los Circuitos Integrados

84 Encapsulado de los Circuitos Integrados

85 Encapsulado de los Circuitos Integrados

86 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

87 Encapsulado de los Circuitos Integrados

88 Encapsulado de los Circuitos Integrados

89 Encapsulado de los Circuitos Integrados

90 Encapsulado de los Circuitos Integrados
Microprocesador de Motorola con 4 SRAM en un mismo empaquetado

91 Encapsulado de los Circuitos Integrados