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circuitos vlsi (4º curso)
TEMA 1. EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CI
circuitos vlsi
Dr. José Fco. López
Desp. 307, Pab. A
[email protected]
circuitos vlsi (4º curso)
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
circuitos vlsi (4º curso)
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
circuitos vlsi (4º curso)
Introducción
circuitos vlsi (4º curso)
Introducción
circuitos vlsi (4º curso)
Introducción
circuitos vlsi (4º curso)
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.
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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
PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n
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
PMOS: se crea en substrato tipo-n o pozo-n
NMOS: se crea en substrato tipo-p o pozo-n
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 lo
largo del proceso de fabricación.
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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.
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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
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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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
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
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.
SiO2
Substrato de Si
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
2. 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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Fabricación de circuitos integrados CMOS
3. 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
insoluble
Substrato de Si
Fotorresist
SiO2
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
4. 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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Fabricación de circuitos integrados CMOS
5. 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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Fabricación de circuitos integrados CMOS
6. 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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Fabricación de circuitos integrados CMOS
7. 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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Fabricación de circuitos integrados CMOS
8. 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
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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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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.
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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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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.
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fotorresist
Óxido de silicio
Substrato tipo-p
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Fabricación de circuitos integrados CMOS
Fotorresist
Óxido de silicio
Pozo-n
Substrato tipo-p
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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
•…
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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
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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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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
Cubrimiento
Exclusión
Overlapping
Anchura
Espaciado
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Layout de los Circuitos Integrados
Layer
Color
Well (p,n)
Yellow
Active Area (n+,p+)
Green
Select (p+,n+)
Green
Polysilicon
Red
Metal1
Blue
Metal2
Magenta
Contact To Poly
Black
Contact To Diffusion
Black
Via
Black
Representation
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Layout de los Circuitos Integrados
Cubrimiento
Exclusión
Overlapping
Anchura
Podemos usar reglas de diseño
utilizando unidades absolutas, pero
¿qué ocurre si cambiamos de tecnología?
Espaciado
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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
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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 primer
inversor 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 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
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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 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
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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
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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
Substrate
Die
Pad
Lead Frame
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Encapsulado de los Circuitos Integrados
Substrate
Die
Pad
Lead Frame
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Encapsulado de los Circuitos Integrados
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Encapsulado de los Circuitos Integrados
Sprocket
hole
Film + Pattern
Solder Bump
Die
Test
pads
Lead
frame
Substrate
(b) Die attachment using solder bumps.
Polymer film
(a) Polymer Tape with imprinted
wiring pattern.
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Encapsulado de los Circuitos Integrados
Die
Solder bumps
Interconnect
layers
Substrate
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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
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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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