Fabricacion De Chips

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ÍndiceÍndice

• Introducción.• Descripción del Chip.• Popularidad de los Chip.• Tipos de Chip.• Clasificación de los Chip.

– Por número de componentes.– Por funciones integradas.

• Limitaciones de los Circuitos Integrados.• Pasos necesarios para fabricar un chip.• Procesos que pueden intervenir en la

fabricación de circuitos integrados

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IntroducciónIntroducción

• En Abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados como semiconductores amplificadores de dispositivos. Jacobi realizó una típica aplicación industrial para su patente, la cual no fue registrada.

• Más tarde la integración de circuitos fue concebida por un científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), trabajando para Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico, y publicado en Washington, D.C. en Mayo 7, 1952. A Dummer no le fue posible construir los circuitos en 1956.

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IntroducciónIntroducción

• El primer CI fue desarrollado en 1958 por el ingeniero Jack Kilby justo meses después de haber sido contratado por la firma Texas Instruments. Se trataba de un dispositivo de germanio que integraba seis transistores en una misma base semiconductora para formar un oscilador de rotación de fase.

• En el año 2000 Kilby fue galardonado con el Premio Nobel de Física por la contribución de su invento al desarrollo de la tecnología de la información.

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Chip (Descripción)Chip (Descripción)

• Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores.

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Chip (Descripción)Chip (Descripción)

• Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales.

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Popularidad de los CIPopularidad de los CI

• Solo ha trascurrido medio siglo desde que se inició su desarrollo y los circuitos integrados se han vuelto casi omnipresentes. Computadoras, teléfonos móviles y otras aplicaciones digitales son ahora partes inextricables de las sociedades modernas. La informática, las comunicaciones, la manufactura y los sistemas de transporte, incluyendo Internet, todos dependen de la existencia de los circuitos integrados. De hecho, muchos estudiosos piensan que la revolución digital causada por los circuitos integrados es uno de los sucesos más significativos de la historia de la humanidad.

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TiposTipos

• Circuitos monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc.

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TiposTipos

• Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.

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TiposTipos

• Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de

la disipación de potencia que necesiten.

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ClasificaciónClasificación

• Atendiendo al nivel de integración - número de componentes - los circuitos integrados se clasifican en:– SSI (Small Scale Integration) pequeño nivel: inferior

a 12 – MSI (Medium Scale Integration) medio: 12 a 100

– LSI (Large Scale Integration) grande: 100 a 1 000

– VLSI (Very Large Scale Integration) muy grande: 10 000 a 99 999

– ULSI (Ultra Large Scale Integration) ultra grande: igual o superior a 100 000

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• En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:– Circuitos integrados analógicos.

• Pueden constar desde simples transistores encapsulados juntos, sin unión entre ellos, hasta dispositivos completos como amplificadores, osciladores o incluso receptores de radio completos.

– Circuitos integrados digitales.

• Pueden ser desde básicas puertas lógicas (Y, O, NO) hasta los más complicados microprocesadores.

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Limitaciones de los circuitos Limitaciones de los circuitos integradosintegrados

• Disipación de potencia-Evacuación del calor • Capacidades y autoinducciones parásitas • Límites en los componentes • Densidad de integración

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Disipación de potencia Disipación de potencia Evacuación del calorEvacuación del calor

• Los circuitos eléctricos disipan potencia. Cuando el número de componentes integrados en un volumen dado crece, las exigencias en cuanto a disipación de esta potencia, también crecen, calentando el sustrato y degradando el comportamiento del dispositivo.

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Capacidades y autoinducciones Capacidades y autoinducciones parásitasparásitas

• Este efecto se refiere principalmente a las conexiones eléctricas entre el chip, la cápsula y el circuito donde va montada, limitando su frecuencia de funcionamiento. Con pastillas más pequeñas se reduce la capacidad y la autoinducción de ellas.

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Límites en los componentesLímites en los componentes

• Los componentes disponibles para integrar tienen ciertas limitaciones, que difieren de las de sus contrapartidas discretas.– Resistencias. Son indeseables por necesitar una

gran cantidad de superficie. Por ello sólo se usan valores reducidos.

– Condensadores. Sólo son posibles valores muy reducidos y a costa de mucha superficie.

– Bobinas. Sólo se usan en circuitos de radiofrecuencia, siendo híbridos muchas veces. En general no se integran.

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Densidad de integraciónDensidad de integración

• Durante el proceso de fabricación de los circuitos integrados se van acumulando los defectos, de modo que cierto número de componentes del circuito final no funcionan correctamente.

• Cuando el chip integra un número mayor de componentes, estos componentes defectuosos disminuyen la proporción de chips funcionales.

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PASOS NECESARIOS PARA FABRICAR UN CHIP

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PASO 1

Primero, se cortan pequeñas tajadas (llamadaswafers) de un lingote de silicio cristalino de un99,9999 por ciento de pureza. Recordemos quelos átomos que componen el silicio en su estadosolidó se distribuyen en forma regular formandoun cristal.

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PASO 2

Se pule el wafer para eliminar impurezas o ralladuras superficiales, logrando una base casi perfecta para la fabricación del chip.

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PASO 3

Ciertas porciones del silicio son alteradasquímicamente para crear las regiones llamadassource y drain de los transistores, que controlanel flujo definido por la fotolitografita,donde el wafer es cubierto con un material sensiblea la luz llamado photoresist. Luego, la luzes proyectada a través de una mascara con unpattern (diseñó) sobre una sección del wafer(del tamaño del chip) -un proceso similar al utilizadopara imprimir fotos de negativos. Unamaquina llamada stepper repite este procesopara cada chip en el wafer.

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PASO 4

• Las áreas expuestas del photoresist se endurecen. Durante el proceso de revelado, las partes no endurecidas del photoresist son lavadas.

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PASO 5

Átomos de un material llamado dopante (por ejemplo Boro o Arsénico) son forzados, mediante el bombardeo de iones, a penetrar en un área especifica en un proceso llamado doping (dopaje), y son activados mediante un proceso térmico llamado annealing El material resistente evita que los dopantes penetren en áreas en las que no deben ingresar. Luego de la implantación de iones, se remueve la resistencia endurecida y se repite el proceso para otros tipos de dopantes implantados en diferentes áreas. En los siguientes pasos se usa un proceso parecido al de usar patterns, pero el resist ahora actúa como un “etch mask”

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PASO 6

El gate del transistor se forma depositando y usando patterns, una capa de dióxido de silicio (que forma el oxido del gate) y luego una capa de polysilicon que es luego dopada muy densamente. Este gate de polysilicon actúa como un faucet (grifo) para activar el flujo de electrones entre el source y drain on/off.

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El resto de los pasos para la fabricación de un chip implican la formación de wires (cables) que conectan el gate, source y drain de los transistores entre si y con el mundo exterior. Capas de dióxido de silicio (que es un dieléctrico o aislante) son depositadas sobre el wafer usando el proceso llamado chemical vapor deposition (CVD). Durante el proceso de CVD, gases que contienen átomos de materiales que deben ser depositados reaccionan en la superficie calentada del wafer, formando una fina película de material solidó. Los metales, principalmente el aluminio, son depositados enel wafer mediante el proceso llamado Physical Vapor Deposition (PVD). Durante el PVD (también llamado sputtering) iones en estado gaseoso son acelerados hacia el material target(blanco) que debe ser depositado. Los iones quitan los átomos del material target que caen y se acumulan en el wafer.

PASO 7

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Los pasos 3, 4 y 5 se repiten para formar capas de dióxido de silicio, metales, cada uno con su pattern correspondiente de modo de completarel diseño del circuito. Una capa de un metalconductor (usualmente aluminio) es depositada(CVD o PVD), expuesta (photolithography) ygrabada (etched) para formar pequeñas interconexiones metálicas. Los chips complejos requieren de varias capas de metal con conexiones verticales entre ellas llamadas vias.

PASO 8

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PASO 9

• El wafer es cortado, o “diced”, para formar los chips. Los chips se colocan en packages (envases) y el llamado wirebonder (conector de cables) conecta eléctricamente los chips con los pines o leads correspondientes del package.

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PROCESOS QUE PUEDEN INTERVENIR EN LA FABRICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

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EPITAXIA

• O crecimiento epitaxial es uno de los procesos en la fabricación de circuitos integrados.

• A partir de una cara de un cristal de material semiconductor, o substrato, se hace crecer una capa uniforme y de poco espesor con la misma estructura cristalina que este.

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• Mediante esta técnica se puede controlar de forma muy precisa el nivel de impurezas en el semiconductor, que son los que definen su carácter (N o P). Para hacer esto se calienta el semiconductor hasta casi su punto de fusión y se pone en contacto con el material de base para que, al enfriarse, recristalice con la estructura adecuada.

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Oxidación en semiconductores

• La oxidación es uno de los procesos básicos en la fabricación de circuitos integrados.

• Presenta la desventaja respecto a la deposición de que hay un consumo del sustrato. La ventaja es que el óxido así generado es de más calidad.

• Otra característica de la oxidación (u oxidación térmica) es que sólo puede utilizarse al principio del proceso de fabricación cuando la oblea tiene aún el silicio al descubierto.

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• La forma más usada es la oxidación térmica. Para el caso del silicio (Si) la oxidación puede ser:

Si + 2H2O ————> SiO2 + 2H2 Si + O2 ————> SiO2

• La primera es la oxidación húmeda y la segunda oxidación seca. La oxidación húmeda se realiza a través de vapor agua a una temperatura de 900ºC a 1000ºC. El crecimiento es más rápido pero presenta como desventajas mayores defectos y menor control sobre la oxidación.

• La oxidación seca se realizar con oxígeno puro a una temperatura de 1200ºC. Es un proceso más lento pero por contra produce menos defectos y ofrece un mayor control sobre el proceso.

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Implantación de iones

• La implantación de iones es un proceso propio de la ingeniería de materiales por el cual los iones de un material pueden ser implantados en otro sólido, cambiando por tanto las propiedades físicas de éste último.

• La implantación de iones es utilizada en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el revestimiento de algunos metales, así como en diversas aplicaciones orientadas a la investigación en ciencia de materiales.

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• Los iones provocan, por una parte cambios químicos en el objetivo, ya que pueden ser de un elemento distinto al que lo compone, y por otra un cambio estructural, puesto que la estructura cristalina del objetivo puede ser dañada o incluso destruida.

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DIFUSION EN ESTADO SÓLIDO

•Consiste en la inserción de átomos dopantes dentro del semiconductor debido a la alta temperatura a que éste es sometido. Con ello se consigue un perfil en la concentración de dopantes que disminuye monótonamente.

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DIFUSION EN ESTADO SÓLIDO

• El proceso consiste en introducir las obleas de semiconductor en un horno y dejar pasar a través de ellas un gas, el cual contiene las impurezas. La temperatura del horno es de 800 a 1200ºC para el Si (Silicio) y de 600 a 1000ºC para el GaAs (Arseniuro de galio).

TIPOS DE TIPOS DE DIFUSIONDIFUSION

•Por concentración constante en superficie: se Por concentración constante en superficie: se •mantiene constante la concentración de mantiene constante la concentración de •impurezas en la superficie del semiconductor impurezas en la superficie del semiconductor •y desde ahí son difundidas al interior.y desde ahí son difundidas al interior.

•Por concentración constante total: se deposita Por concentración constante total: se deposita •la cantidad final de impurezas en la superficie la cantidad final de impurezas en la superficie •de la oblea y desde ahí se difunden. de la oblea y desde ahí se difunden.

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DESCOMPOSICION EN SEMICONDUCTORES

• La deposición en semiconductores es el proceso por el cual se crea una nueva capa de un material sobre una oblea de semiconductor. La ventaja de esta técnica es que al crear capas nuevas no se afecta mucho a las ya existentes.

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DESCOMPOSICION EN SEMICONDUCTORES

MATERIAL DEPOSITADOMATERIAL DEPOSITADO

dieléctricos dieléctricos • óxidos óxidos

• nitruros nitruros

Conductores Conductores metales metales

polisilicio polisilicio

•Otros Otros •(por ejemplo (por ejemplo

•fotoresina) fotoresina)

El proceso se suele realizar en un El proceso se suele realizar en un horno a alta temperatura y presión horno a alta temperatura y presión controlada. Por medio de los gases controlada. Por medio de los gases que se introducen en el horno que se introducen en el horno se logra una se logra una reacción químicareacción química de la que se obtiene el nuevo de la que se obtiene el nuevo

materialmaterial..

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CONCLUSIONES

• Los microprocesadores son elementos de uso masivo en los últimos años, gracias a al versatilidad de sus aplicaciones y a lo portátil de su almacenamiento.

• Mediante un conjunto de nueve pasos, y algunas sugerencias que influyen en su fabricación, es que se logra seguir desarrollando esta industria que cada vez adquiere un valor mas pujante y de vanguardia.

• Los microprocesadores (CHIPS) son una parte muy interesante de aplicación de los conocimientos de la Física Moderna, como el tema de los átomos dopantes.

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BIBLIOGRAFIA

• http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado#Introducci.C3.B3n#Introducci.C3.B3n• http://www.intel.com/espanol/technology/magazine/pix/hb_fig1.gif• http://www.addlink.es/productos.asp?pid=566

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GRACIAS X SU ATENCION!!!