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TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI

Dr. José Fco. LópezDesp. 307, Pab. Alopez@iuma.ulpgc.es

circuitos vlsi

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Índice

Introducción

Fabricación de Circuitos Integrados CMOS• La oblea de silicio• Fotolitografía• Algunos pasos de procesamiento recurrente• Flujo simplificado de un proceso CMOS

Encapsulado de los circuitos integrados• Materiales de los encapsulados• Niveles de interconexión

Layout de los Circuitos Integrados

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Introducción

Si bien el presente curso está enfocado hacia el diseño de circuitosintegrados digitales, una comprensión básica y resumida de lospasos conducentes a la obtención de un chip de silicio puede resultar bastante útil para entender las restricciones físicas que eldiseñador de un circuito integrado debe cumplir.

Un conjunto de máscaras ópticas forman la interfaz fundamentalentre los detalles del proceso de fabricación y el diseño que el usuario desea ver convertido en silicio. Estas máscaras definen lospatrones de los dispositivos electrónicos y las pistas de interconexión

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Introducción

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Introducción

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Introducción

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Introducción

Si bien el presente curso está enfocado hacia el diseño de circuitosintegrados digitales, una comprensión básica y resumida de lospasos conducentes a la obtención de un chip de silicio puede resultar bastante útil para entender las restricciones físicas que eldiseñador de un circuito integrado debe cumplir.

Un conjunto de máscaras ópticas forman la interfaz fundamentalentre los detalles del proceso de fabricación y el diseño que el usuario desea ver convertido en silicio. Estas máscaras definen lospatrones de los dispositivos electrónicos y las pistas de interconexión

Estos patrones deben cumplir con ciertas restricciones en lo querespecta a sus anchuras y separaciones mínimas para que loscircuitos resultantes sean completamente operativos. A estasrestricciones se las denomina reglas de diseño.

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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

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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 nPMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n

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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 nPMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n

NMOS: se crea en substrato tipo-p o pozo-n

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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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 lolargo del proceso de fabricación.

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

La oblea de silicioEl 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 dedefectos del material de base. Las densidades de defectos altas hacen quese incremente el porcentaje de circuitosno operativos y, consecuentementefuerzan un incremento en el coste delproducto final.

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

FotolitografíaEn cada paso de procesamiento, una cierta área del chip seenmascara utilizando una máscara óptica apropiada, de modo queel paso de procesamiento deseado pueda ser aplicado de maneraselectiva a las regiones restantes.

El paso de procesamiento puede ser uno cualquiera de entre unaamplia variedad de tareas: oxidación, grabación, deposición demetal, deposición de polisilicio, implantación de iones.

La técnica utilizada para realizar este enmascaramiento selectivo sedenomina fotolitografía

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Proceso fotolitográfico

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Veamos el ejemplo del

proceso fotolitográfico

de grabación de una

capa de óxido de silicio

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

1. Oxidación superficial: Se deposita una fina capa de polisiliciosobre la oblea. El óxido se utiliza como capa de aislamiento ytambién para formar la puerta de los transistores.

Substrato de Si

SiO2

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

2. Recubrimiento con fotorresist: Se aplica uniformemente unpolímero 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

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

3. Exposición: Se sitúa muy próximo a la oblea una máscara conel patrón que queremos transferir al silicio y se expone a continuación a luz ultravioleta. Donde la máscara es transparente,el fotorresist se vuelve insoluble

Fotorresistinsoluble insoluble

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

4. Revelado de fotorresist y horneado: Las obleas se revelan mediante una solución ácida o básica para eliminar las áreasno expuestas de fotorresist. Posteriormente la oblea se hornea a baja temperatura para endurecer el fotorresist restante

Fotorresist

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

5. Grabado mediante ácido: Se elimina parte del material de formaselectiva 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

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

6. Centrifugado, aclarado y secado: Una herramienta especiallimpia la oblea con agua desionizada y la seca con nitrógeno. para evitas defectos debidos a suciedad, los pasos deprocesamiento se llevan a cabo en “salas blancas” en las queel número de partículas de polvo por metro cúbico de aire estácomprendido entre 10 y 100.

Fotorresist

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

7. Pasos diversos de procesamiento: El área expuesta puedeahora ser sujeta a un amplio rango de pasos de procesamiento,tales como la implantación de iones, grabación mediante plasma,deposición de metal…

Fotorresist

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato de Si

SiO2

8. Eliminación del fotorresist: Se utiliza un plasma a altatemperatura para eliminar selectivamente el fotorresist restante,sin dañar las capas del dispositivo.

Fotorresist

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteMuchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que seefectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunaspartes del material (por ejemplo, creación de fuente y de drenador)

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteMuchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que seefectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunaspartes 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 dematerial protector, típicamente SiO2.

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteMuchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que seefectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunaspartes 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 hornocaliente. Se introduce en el tubo un gas que contiene el dopante. Lasaltas temperaturas del horno hacen que los dopantes se difundan enla superficie expuesta tanto vertical como horizontalmente.

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteMuchos pasos del proceso de fabricación de CI requieren que seefectúe un cambio en la concentración de dopantes en algunaspartes 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 ionespurificados sobre la superficie del semiconductor y barre esta conel haz.

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Ejemplo de

implantación iónica

para crear un pozo

tipo-n

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato tipo-p

Óxido de silicio

Fotorresist

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Substrato tipo-p

Fotorresist

Óxido de silicio

Pozo-n

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteTodo proceso CMOS requiere la deposición repetitiva de capas deun material sobre la oblea completa, con el fin de actuar como material base para un paso de procesamiento, o como capasaislantes o conductoras.

Algunos ejemplos son: • Polisilicio• Capas de interconexión de aluminio• …

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Algunos pasos de procesamiento recurrenteUna vez depositado un material, se emplean de manera selectivatécnicas de grabación para formar patrones tales como pistas deinterconexión y agujeros de contacto

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

Ejemplo de fabricación

de un inversor CMOS a

nivel de máscaras

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Fabricación de circuitos integrados CMOS

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Layout de los Circuitos Integrados

Mide dos veces, fabrica una vez!!!!

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Layout de los Circuitos Integrados

Diseñado Fabricado

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Layout de los Circuitos Integrados

Anchura

Espaciado

OverlappingExclusión

Cubrimiento

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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

Black

Black

Select (p+,n+) Green

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Layout de los Circuitos Integrados

Anchura

Espaciado

OverlappingExclusión

Cubrimiento

Podemos usar reglas de diseñoutilizando unidades absolutas, pero¿qué ocurre si cambiamos de tecnología?

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Layout de los Circuitos Integrados

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Layout de los Circuitos Integrados

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Layout de los Circuitos Integrados

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Layout de los Circuitos Integrados

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Layout de los Circuitos Integrados

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Layout de los Circuitos Integrados

Layout de transistores

tipo nMOS y pMOS

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Layout de los Circuitos Integrados

Difusión tipo n

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Layout de los Circuito Integrados

Polisilicio

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Layout de los Circuito Integrados

Contactos

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Layout de los Circuito Integrados

Metal 1

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Layout de los Circuito Integrados

Implantación tipo n

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Layout de los Circuito Integrados

Difusión tipo p

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Layout de los Circuito Integrados

Polisilicio

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Layout de los Circuito Integrados

Contactos

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Layout de los Circuito Integrados

Metal 1

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Layout de los Circuito Integrados

Implantación tipo p

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Layout de los Circuito Integrados

Pozo tipo n

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Layout de los Circuito Integrados

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Layout de los Circuito Integrados

Nuestro primerinversor CMOS!!!

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Layout de los Circuito Integrados

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

El encapsulado de un CI juega un papel fundamental en la operacióny 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 unCI se produce en el encapsulado

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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 disipaciónde calor debe ser lo más alta posible. Para que el circuito sea fiable,es preciso que haya una conexión resistente entre el dado y elencapsulado y entre este y la tarjeta• Bajo coste: Los encapsulados cerámicos tienen unas prestacionessuperiores a los encapsulados de plástico, pero son bastante máscaros. Incrementar la velocidad de disipación de calor del encapsulado también incrementa su coste. Los encapsuladosplásticos más baratos pueden disipar hasta 1W o 2W. Para disipaciones mayores se utilizan encapsulados cerámicos o el empleo de ventiladores, mecanismos de enfriamiento mediantelíquidos o conductos de calefacción

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

Materiales de los encapsulados:• Materiales cerámicos• Materiales polímeros (materiales plásticos)

Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas:

Niveles de interconexión:• Nivel de interconexionado 1: dado-substrato• Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

Materiales de los encapsulados:• Materiales cerámicos• Materiales polímeros (materiales plásticos)

Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas:

Niveles de interconexión:• Nivel de interconexionado 1: dado-substrato• Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

Lead Frame

Substrate

Die

Pad

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

Lead Frame

Substrate

Die

Pad

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

(a) Polymer Tape with imprinted

(b) Die attachment using solder bumps.

wiring pattern.

Substrate

Die

Solder BumpFilm + Pattern

Sprockethole

Polymer film

Leadframe

Testpads

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

Solder bumps

Substrate

Die

Interconnect

layers

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

Materiales de los encapsulados:• Materiales cerámicos• Materiales polímeros (materiales plásticos)

Los encapsulados pueden clasificarse de muchas formas distintas:

Niveles de interconexión:• Nivel de interconexionado 1: dado-substrato• Nivel de interconexionado 2: substrato de encapsulado-tarjeta

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

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Encapsulado de los Circuitos Integrados

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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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Encapsulado de los Circuitos Integrados