TEMA 1 EL PROCESO DE FABRICACIN DE CI

TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI circuitos vlsi (4º curso) circuitos vlsi Dr. José Fco. López Desp. 307, Pab. A lopez@iuma. ulpgc. e

Índice Introducción circuitos vlsi (4º curso) 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 circuitos vlsi (4º curso) 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

circuitos vlsi (4º curso) Introducción

Introducción circuitos vlsi (4º curso) 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. circuitos vlsi (4º curso) 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. circuitos vlsi (4º curso) polisilicio substrato tipo p PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n 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. circuitos vlsi (4º curso) polisilicio substrato tipo p PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n NMOS: se crea en substrato tipo-p o pozo-n pozo n

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 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. circuitos vlsi (4º curso) 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.

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 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

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) Proceso fotolitográfico

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS lo p m e j e l e o s s o e c e m o d a r Ve del p áfico na r u g o e t d li e o d n t fo ació xido b eó a r g d o a i c p i ca sil

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 1. 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. Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 2. 3. 4. 5. 6. 7. 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 Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 3. 4. 5. 6. Exposición: Se sitúa muy próximo a la oblea una máscara con el patrón queremos transferir al silicio y se expone a continuación a luz ultravioleta. Donde la máscara es transparente el fotorresist se vuelve insoluble Substrato de Si Fotorresist Si. O 2

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 4. 5. 6. 7. 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 Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 5. 6. 7. 8. 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 elimina Fotorresist Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 6. Centrifugado, aclarado y secado: Una herramienta especial 7. limpia la oblea con agua desionizada y la seca con nitrógeno. 8. para evitas defectos debidos a suciedad, los pasos de 9. procesamiento se llevan a cabo en “salas blancas” en las que 10. el número de partículas de polvo por metro cúbico de aire está 11. comprendido entre 10 y 100. Fotorresist Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 7. 1. 2. 3. 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 Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 8. Eliminación del fotorresist: Se utiliza un plasma a alta 9. temperatura para eliminar selectivamente el fotorresist restante, 10. sin dañar las capas del dispositivo. Fotorresist Si. O 2 Substrato de Si

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 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) circuitos vlsi (4º curso) 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 Si. O 2.

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) circuitos vlsi (4º curso) 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) circuitos vlsi (4º curso) 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.

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS e d a o c l i p n ó m i Eje ación pozo t n n u a l r p a im a cre -n o r p a i t p

Fabricación de circuitos integrados CMOS Fotorresist circuitos vlsi (4º curso) Óxido de silicio Substrato tipo-p

Fabricación de circuitos integrados CMOS Fotorresist circuitos vlsi (4º curso) Óxido de silicio Pozo-n Substrato tipo-p

Fabricación de circuitos integrados CMOS circuitos vlsi (4º curso) 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 circuitos vlsi (4º curso) 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

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS e d lo e un p m nd e j a E ció S O a s c M i r a C r fab rsor ásca e v in l de m e v i n

circuitos vlsi (4º curso) Fabricación de circuitos integrados CMOS

Layout de los Circuitos Integrados circuitos vlsi (4º curso) Mide dos veces, fabrica una vez!!!!

Layout de los Circuitos Integrados circuitos vlsi (4º curso) Diseñado Fabricado

Layout de los Circuitos Integrados circuitos vlsi (4º curso) Cubrimiento Exclusión Overlapping Anchura Espaciado

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuitos Integrados Layer Color Well (p, n) Yellow Active Area (n+, p+) Green Select (p+, n+) Green Polysilicon Red Metal 1 Blue Metal 2 Magenta Contact To Poly Black Contact To Diffusion Black Via Black Representation

Layout de los Circuitos Integrados circuitos vlsi (4º curso) Cubrimiento Exclusión Overlapping Anchura Podemos usar reglas de diseño utilizando unidades absolutas, pero ¿qué ocurre si cambiamos de tecnología? Espaciado

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuitos Integrados

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuitos Integrados e d t o u p i o t y s a L tore S O s i M s p n tra OS y n. M

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuitos Integrados Difusión tipo n

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Polisilicio

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Contactos

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Metal 1

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Implantación tipo n

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Difusión tipo p

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Polisilicio

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Contactos

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Metal 1

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Implantación tipo p

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados Pozo tipo n

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados

Layout de los Circuito Integrados circuitos vlsi (4º curso) Nuestro primer inversor CMOS!!!

circuitos vlsi (4º curso) Layout de los Circuito Integrados

Encapsulado de los Circuitos Integrados circuitos vlsi (4º curso) 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

circuitos vlsi (4º curso) 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 1 W o 2 W. 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) circuitos vlsi (4º curso) 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) circuitos vlsi (4º curso) Niveles de interconexión: • Nivel de interconexionado 1: dado-substrato • Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta Substrate Die Pad Lead Frame

circuitos vlsi (4º curso) Encapsulado de los Circuitos Integrados Substrate Die Pad Lead Frame

circuitos vlsi (4º curso) 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) circuitos vlsi (4º curso) Niveles de interconexión: • Nivel de interconexionado 1: dado-substrato • Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

circuitos vlsi (4º curso) Encapsulado de los Circuitos Integrados

circuitos vlsi (4º curso) Encapsulado de los Circuitos Integrados Microprocesador 68040 de Motorola con 4 SRAM en un mismo empaquetado

circuitos vlsi (4º curso) Encapsulado de los Circuitos Integrados