Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica Laboratorio de Elementos Activos Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados Dr. Pablo Alvarado Adaptado de: Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005 Cartago, Costa Rica Octubre, 2006 Pablo Alvarado 1 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Contenido Historia Proceso de Fabricación Magic IETIX Resumen Pablo Alvarado 2 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia 1883 Thomas Edison (“Efecto Edison”) Experimentando con bombillos, Edison encontró que en el vacío una corriente puede fluir del filamento luminoso a una placa de metal polarizada positivamente pero no a una polarizada negativamente Audion (Triodo) 1906, Lee De Forest 1904 John Ambrose Fleming (“Diodo Fleming”) Reconoce impacto del descubrimiento de Edison, y demuestra la rectificación de señales CA. 1906 Lee de Forest (“Triodo”) Añade una rejilla al diodo de Fleming lo que permite “amplificar” señales. Los tubos al vacío continúan su evolución Dominan industria de radio y TV hasta los 60s, y representan la “génesis” de la industria electrónica actual. Son sin embargo frágiles, relativamente grandes, consumen mucha potencia y tienen altos costos de producción. Pablo Alvarado 3 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (2) 1940 Russel Ohl (Union PN junction) La union PN es desarrollada en los Laboratorios Bell. 1945 Labs. Bell establece grupo para desarrollar alternativa de tubos al vacío. El grupo lo lidera William Shockley. Primer transistor de contacto puntual (germanio) 1947, John Bardeen y Walter Brattain Laboratorios Bell 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) Se crea el primer circuito amplificador de estado sólido utilizando un transistor de contacto puntual (Ge) 1950 William Shockley (Transistor de juntura) Más fácil de producir que el transistor de contacto puntual. 1952 fabricación de silicio monocristalino 1954 primer transistor comercial de silicio Texas Instruments 1954 Primer radio de transistores (Regency TR-1) 4 transistores de Texas Instruments 1955 Primer transistor de efecto de campo Laboratorios Bell Pablo Alvarado 4 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (3) 1952 Geoffrey W. A. Dummer (concepto de CI) En 1952 se publicó el concepto y en 1956 se hizo un intento 1954 Desarrollo de proceso de enmascaramiento del óxido Proceso incluye oxidación, foto-enmascaramiento, corrosión y difusión Primer circuito integrado (Ge) 1958 Jack S. Kilby, Texas Instruments 5 componentes entre transistores, resistencias y condensadores 1958 Jack Kilby (Circuito Integrado) Oscilador con 5 componentes 1959 Invento de tecnología planar Esta tecnología se usa aún en la actualidad 1960 Primer MOSFET fabricado En los Labs. Bell, por Kahng 1961 Primer Circuito Integrado comercial Fairchild and Texas Instruments 1962 Invento de TTL 1963 Primer Circuito Integrado PMOS producido por RCA 1963 CMOS inventado Pablo Alvarado 5 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (4) 1971 Primer microprocesador Intel produce el 4004 (primer microprocesador de 4 bits) Conjunto de 3 chips encapsulados en DIP de 16 pines Circuito Integrado de 2 kbit ROM Circuito Integrado de 320 bit RAM Procesador: Proceso PMOS de compuertas en Si, 10 µm ~2300 transistores Velocidad de reloj: 108 kHz Tamaño del dado de silicio: 13,5 mm2 Pablo Alvarado 6 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (5) 1982 Intel 80286 Proceso CMOS de compuertas en Si, 1,5 µm 1 capa de polisilicio 2 capas metalicas 134 000 transistores Velocidad de reloj 6 a 12 MHz Tamaño del dado 68,7 mm2 Pablo Alvarado 7 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (6) 2000 Pentium 4 Proceso CMOS de compuertas en Si, 0,18µm 1 capa de polisilicio 6 capas metálicas Fabricación: 21 capas / máscaras 42 millones de transistores Reloj: 1,400 to 1,500 MHz Tamaño del dado: 224 mm2 Pablo Alvarado 8 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Historia (7) Historia de los microprocesadores de Intel (Tomado de http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm) Año Chip 1971 4004 1974 8080 1976 8088 1982 80286 1985 80386 1989 80486 1993 Pentium 1995 Pentium Pro 1999 Mobile PII 2000 Pentium 4 2002 Pentium 4 (N) 2005 Pentium 4 (EE) L Transistores 10µm 2,3k 6µm 6k 3µm 29k 1,5µm 134k 1,5µm 275k 0,8µm 1,2M 0,8µm 3,1M 0,6µm 15,5M 0,25µm 27,4M 0,18µm 42M 0,13µm 55M 90nm 169M Pablo Alvarado 9 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Ley de Moore En 1965 Gordon Moore (entonces en Fairchild Corp.) notó que: ¿Qué motiva este ritmo de desarrollo en tecnologías de integración? “La complejidad de integración se duplica cada 3 años” ¿El deseo de superación y motivación de las personas involucradas con tecnología? Esta afirmación se conoce comúnmente como la “Ley de Moore” y / o ¿es una motivación económica la mayor directriz? Ha resultado “correcta” hasta este momento Ventas de la industria de semiconductores: 1962, > $1000 Millones 1978, > $10 000 Millones 1994, > $100 000 Millones Pablo Alvarado 10 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Motivador: Economía Tradicionalmente, el costo por función en un CI se reduce de un 25% a un 30% por año. – Esto le permite al mercado de la electrónica a crecer un 15% por año Para lograrlo, el número de funciones por CI debe crecer, lo que requiere: Incremento del número de transistores incremento de la funcionalidad Incremento de la velocidad de reloj más operaciones por unidad de tiempo = incremento de la funcionalidad Disminución del tamaño de características si se mantiene el área se mantiene el precio mejora en el desempeño Pablo Alvarado 11 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Motivador: Economía (2) Incremento de la productividad Incremento del desempeño del maquinaria de producción Incremento en la producción (yield) Incremento en el número de chips en una oblea de silicio (wafer): reducción del área de un chip: − menor tamaño de características smaller y rediseño Uso del mayor tamaño de oblea disponible Ejemplo de un producto efectivo en costo (tipicamente DRAM): el área en el CI se reduce en un 50% cada 3 años y en un 35% cada 6 años. Pablo Alvarado 12 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados ¿Hay un límite? Fábrica con gran volumen de producción Capacidad total: 40 000 obleas iniciadas por mes (Wafer Starts Per Month, WSPM) (180 nm) Inversión total capital: $2700 Millones Maquinaria y equipo de producción: 80% Servicios, Facilidades: 15% Sistemas de manejo de materiales: 3% Información y control de fábrica: 2% Ingresos mundiales del mercado mundial de semiconductores en el 2000: ~$180 000 Millones Tasa de crecimiento del mercado de semiconductores ~15% / año Tasa de crecimiento de mercado de equipo: ~19.4% / año Al 2010 los costos para equipo excederán el 30% de los ingresos del mercado de semiconductores! Limitaciones tecnológicas (tamaño de las estructuras, velocidades de transmisión, etc.) Pablo Alvarado 13 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Fabricación de un Circuito Integrado Pablo Alvarado 14 Inversor CMOS A VDD Y 0 1 A A Paulo Moreira Y Y GND Introduction 15 Transistor n-MOS • 4 terminales: compuerta, surtidor, drenador y sustrato • Compuerta – oxido – sustrato conforman un condensador – Compuerta y sustrato son conductores – SiO2 (oxido) es un excelente aislador – Se denomina condensador MOS, aún cuando la compuerta no es metálica Source Gate Drain Polysilicon SiO 2 n+ n+ p Paulo Moreira Introduction bulk Si 16 Transistor p-MOS • Similar, pero dopado y tensiones invertidas – Sustrato conectado a VDD – Compuerta en bajo: transistor encendido – Compuerta en alto: transistor apagado – Círculo en la compuerta denota comportamiento invertido Polysilicon Source Gate Drain SiO 2 p+ p+ n Paulo Moreira Introduction bulk Si 17 Sección transversal del inversor • Usualmente se utiliza un sustrato de tipo p para los transistores n-MOS • Se requiere un „pozo“ n para los transistores tipo p-MOS A GND VDD Y SiO 2 n+ diffusion n+ n+ p+ n well p substrate nMOS transistor Paulo Moreira p+ p+ diffusion polysilicon metal1 pMOS transistor Introduction 18 Conección a pozos y sustratos • Sustrato debe ser conectado a GND y pozo n a VDD • La conexión entre metal y un semiconductor levemente dopado forma una conexión eléctrica deficiente (en realidad, un diodo Shottky). • Se utiliza entonces para la conexión contactos fuertemente dopados A GND p+ n+ n+ p+ p+ n+ n well p substrate substrate tap Paulo Moreira VDD Y well tap Introduction 19 Máscaras del inversor • Transistores y conecciones se definen a través de máscaras • La sección transversal se tomó en la línea punteada A Y GND VDD nMOS transistor pMOS transistor well tap substrate tap Paulo Moreira Introduction 20 Vistas detalladas de las máscaras • Seis máscaras – n-well – Polysilicon – n+ diffusion – p+ diffusion – Contact – Metal n well Polysilicon n+ Diffusion p+ Diffusion Contact Metal Paulo Moreira Introduction 21 Pasos de fabricación • Inicio con una oblea „en blanco“ • Construir inversor de abajo hacia arriba • Primer paso: formar el pozo n (n-well) – Cubrir la oblea con una capa protectora de óxido de silicio (SiO2) – Eliminar capa en el sitio donde debe construirse el pozo n – Implantar o difundir dopantes n en la oblea expuesta – Eliminar SiO2 p substrate Paulo Moreira Introduction 22 Oxidación • Producir SiO2 en la parte superior de la oblea – 900°C – 1200°C con H2O o O2 en horno de oxidación SiO 2 p substrate Paulo Moreira Introduction 23 Photoresist • El Photoresist es un polímero orgánico sensitivo a la luz. • Se suaviza en los sitios expuestos a la luz Photoresist SiO 2 p substrate Paulo Moreira Introduction 24 Litografía • Exponer photoresist a través de la máscara del pozo n • Eliminar photoresist expuesto Photoresist SiO 2 p substrate Paulo Moreira Introduction 25 Decapado (etch) • Decapar el óxido con ácido hidrofluórico (HF) • Solo solo se ataca al óxido donde el resist ha sido expuesto Photoresist SiO 2 p substrate Paulo Moreira Introduction 26 Eliminar Photoresist • Eliminar el fotoresist remanente – Se utiliza una mezcla de ácidos denominado “decapado piraña” • Esto es necesiario para que el resist no se deshaga en los próximos pasos SiO 2 p substrate Paulo Moreira Introduction 27 Pozo n (n-well) • Pozo n se forma por difusión o por implantación de iones • Difusion – Colocar la oblea en horno con arsénico gaseoso – Calentar hasta que los átomos de As se difunden en el Si expuesto • Implantación de iones – Se dispara a la oblea con un rayo de iones de As – Los iones bloqueados por el SiO2, solo entran al Si expuesto SiO 2 n well Paulo Moreira Introduction 28 Eliminar óxido • Eliminar óxido remanente utilizando HF (ácido hidrofluórico) • Estamos de vuela con una oblea „en blanco“ con un pozo n • Los pasos siguientes involucran pasos similares n well p substrate Paulo Moreira Introduction 29 Polisilicio • Depositar capa delgada de óxido para compuertas – < 20 Å (6-7 capas atómicas) • Deposición química de vapor (Chemical Vapor Deposition, CVD) de una capa de silicio – Colocar oblea en horno con gas silano (SiH4) – Forma muchos cristales pequeños denominados polisilicio – Fuertemente dopado para que sea buen conductor Polysilicon Thin gate oxide n well p substrate Paulo Moreira Introduction 30 Conformación del Polisilicio • Usa mismo proceso litográfico anterior para dar forma al polisilicio Polysilicon Polysilicon Thin gate oxide n well p substrate Paulo Moreira Introduction 31 Proceso autoalineado • Utilizar óxido y máscaras para exponer los sitios donde los dopantes n+ deberán ser difundidos o implantados • La difusión n forma la fuente y drenador del transistor n-MOS y el contacto con el pozo n n well p substrate Paulo Moreira Introduction 32 Difusión n • Dar forma al óxido y conformar las regiones n+ • Proceso auto-alineado donde la compuerta bloquea la difusión • Polisilicion es mejor que el metal para las compuertas autoalineadas porque no se deshace en procesos posteriores n+ Diffusion n well p substrate Paulo Moreira Introduction 33 Difusión n (2) • Históricamente los dopantes eran difundidos • En la actualidad se usa implantación de iones • A pesar de eso a las regiones se les denomina „difusión“ n+ n+ n+ n well p substrate Paulo Moreira Introduction 34 Difusión n (3) • Eliminar óxido para terminar la conformación. n+ n+ n+ n well p substrate Paulo Moreira Introduction 35 Difusión P • Serie similar de pasos se utiliza para conformar las regiones de difusión p+, usadas en fuente y drenador del transistor p-MOS y en el contacto del sustrato p+ Diffusion p+ n+ n+ p+ n+ n well p substrate Paulo Moreira p+ Introduction 36 Contactos • Ahora deben interconectarse los dispositivos • Se cubre al chip con una capa gruesa de óxido • Se decapa el óxido donde los cortes para contactos se requieran Contact Thick field oxide p+ n+ n+ p+ n+ n well p substrate Paulo Moreira p+ Introduction 37 Metalización • Depositar aluminio sobre toda la oblea • Conformar para remover exceso de metal, dejando solo las conexiones Metal Metal Thick field oxide p+ n+ n+ p+ n+ n well p substrate Paulo Moreira p+ Introduction 38 Layout • Chips se especifican con un conjunto de máscaras • Las dimensiones mínimas de las máscaras determinan el tamaño del transitor (e indirectamente velocidad, costo y potencia) • Tamaño característico f = distancia entre drenador y surtidor – Dado por el ancho mínimo del polisilicio • Tamaño característico se mejora un 30% cada 3 años aproximadamente Paulo Moreira Introduction 39 Reglas de diseño simplificadas • Reglas conservadoras para iniciar Paulo Moreira Introduction 40 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Niveles de abstracción en el Diseño VLSI High Alto System Specification Especificación del sistema of Abstraction NivelLevel de Abstracción Sistema System Módulo funcional Functional Module + Compuerta Gate Circuito Circuit Dispositivo Device G S D Low Bajo Pablo Alvarado 41 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Dominios de Descripción de Diseño VLSI Dominio Estructural Dominio Comportamental Aplicaciones Sistemas Operativos Programas Procesador RISC Sumadores, compuertas, registros Subrutinas Transistores Instrucciones circuital Transistores Celdas Módulos Chips Tarjetas RTL, lógico arquitectural Niveles de abstracción Dominio Físico Pablo Alvarado 42 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados El flujo de diseño “analógico” Especificación ● Velocidad ● Potencia ● Ancho de Banda ● Área ... Front end Simulación del Pre-layout Ingreso del Diseño Crear esquemático ● Dimensionamiento de dispositivos ● Simulación del circuito ● ● Rediseño Layout Distribución ● Ubicación ● Enrutamiento ● Back end Pablo Alvarado 43 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Flujo de diseño (2) Extracción del Diseño Verificación Comprobación de reglas de diseño ● Comprobación de reglas eléctricas Extracción ● Layout vs Esquemático ● Extracción de Elementos Parásitos Extracción de elementos parásitos ● ● Front end Simulación del Post-layout Simulación del circuito ● Rediseño ● Back end Pablo Alvarado 44 Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Referencias Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005 ● Pablo Alvarado 45
