Circuitos Integrados Integrated Circuits IC En un IC

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).

DATOS EN EL ENCAPSULADO DE UN CIRCUITO INTEGRADO A ENCAPSULADO 74 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 1 I D, P: Plástico J, N: Cerámico M: Metálico P 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

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

Transistor 2 Transistores 1945 1948 1958 1960 ENIAC Transistor Primer IC MOSFET 1 er Computador Lab. Bell Kilby válvulas Schokley, Brattain, Bardeen 2. 300 Transistores 1971 Primer P 4004 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) 42 millones de transistores 2001 Pentium IV INTEL

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: üElectrónica Analógica (amplificadores, comparadores, multiplicadores, generadores de señal, etc) üElectrónica Digital (microprocesadores, conversores A/D y D/A, etc) üComunicaciones (Emisores, receptores, etc) üElectrónica 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

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 MUNDO EXTERIOR INTERFACE Selección del Circuito Integrado

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

Procesos de fabricación de circuitos integrados PROCESOS: 1) Preparación de la oblea 2) Fabricación de las máscaras 3) Litografía 4) Adición de material 5) Eliminación de material 6) 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 (a) Máscara completa de una oblea x 1, con patrón de dado repetido para cada posición (b) Máscara de dado individual con una copia del dado amplificado en x 5 o x 10

Procesos de fabricación de circuitos integrados 2) Fabricación de máscaras (a) Litografía de proyección óptica de la oblea completa (b) Litografía directa sobre oblea Fabricación óptica de la retícula Retícula x 10 Reducción y repetición Cinta PG Fabricación de máscaras Cinta PG Proyección óptica directa Litografía Máscara x 1 Proyección óptica de la retícula mediante haz de electrones Retícula x 5 o x 10 Reducción óptica y repetición de la retícula sobre la oblea

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

Procesos de fabricación de circuitos integrados 4) Adición de material 4. 1. ) Crecimiento epitaxial - Se introducen dopantes B(P) y As(N) Proceso LPCVD Si. Cl 4+2 H 2 - >Si+4 HCl En torno a 1000 -1200ºC - Dimensiones típicas: Capa epitaxial (epi): 2 a 25 m Sustrato: 100 a 300 m 4. 2. ) Deposición química en fase vapor a baja presión (LPCVD) Usado en: - Polisilicio (Si. H 4 ->Si+2 H 2) Óxido de aislamiento (Si. H 4+O 2 ->Si. O 2+2 H 2) 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 1) Vista transversal de partida 3) Después del atacado 4) Después de eliminar la película 2) Después de la litografía

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

Procesos de fabricación de circuitos integrados 5) Eliminación de material 5. 3. ) Atacado seco CF 4(gas inerte)+Si +Temperatura -> Si. F 4 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 B NC 1 A 2 NC 3 NC B A 8 B 7 NC C 4 6 NC 5 C A DIP 8 PASOS A DAR PARA OBTENER UN IC CON ESTE CIRCUITO BÁSICO C

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

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

CRECIMIENTO EPITAXIAL N CAPA EPITAXIAL 25 P 150 CAPA EPITAXIAL P

PROCESOS DE DIFUSIÓN N P CAPA DE OXIDO (Si O 2) PELICULA FOTOSENSIBLE

LUZ N P MASCARA 1: ISLAS, ZONA DE COLECTOR

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) B B B N P P B B P N B B B ISLA P B B B N B B P B B

LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE N P P P N P

NUEVA PELÍCULA FOTOSENSIBLE N P P P N P

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

P P N

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

LIMPIEZA DE LA PELÍCULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE P P P N N N P N

NUEVA PELICULA FOTOSENSIBLE P P P N N N P N

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

P N P

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

LIMPIEZA DE LA PELICULA FOTOSENSIBLE Y OXIDACIÓN COMPLETA DE LA SUPERFICIE P N P

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

P N P

P N P

P N P P P N N P P N P

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

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

DETALLE DE UN CIRCUITO REAL

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