TEMA 1

Tecnología y fabricación de CIs

Procesos básicos

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� Los dispositivos electrónicos forman parte de sistemas de comunicación y de información, de productos digitales de consumo, de sistemas industriales y de potencia, de servicios financieros, etc.� Microprocesadores. Procesadores de alto rendimiento RISC� Microcontroladores� Aplicaciones de radiofrecuencia (RF: teléfonos de comunicaciones móbiles en bandas de GSM y DECT) � Amplificadores, comparadores, swiches, etc.� Memorias RAM, ROM, EPROM� Sensores, radares � Comunicaciones sin hiloslocales: bluetooth, � Módulos de interconexión ópticos:

� LEDs� Láseres� Fotodectectores

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Introducción

BandasC/Ku/Ka

Banda L

BandasC/Ku/Ka

BandasC/Ku/Ka

BandasC/Ku/Ka

Banda L

Banda L

Banda L Banda L

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� La evolución de la microelectrónica: microcomputadores, su aplicaciones en la medicina, en robótica, en sensores para la industria (automovilistica, por ejemplo), internet, redes locales, teléfonos móviles, sistemas de posicionamiento (GPS), etc. ha cambiado nuestro estilo de vida.

�Todos ellos basados en dispositivos como diodos (uniones p-n), transistores bipolares (BJT) y MOSFET principalmente.

La gráfica muestra la evolución de transistores por chip durante los últimos 30 años.

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Introducción

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� Sala blanca: � Las operaciones de fabricación de un dispositivo se realizan

mediante sistemas robóticos controlados por ordenador en “salas blancas” (miles de veces más limpias que los quirófanos de hospitales).

� Los trabajadores están vestidos con trajes especiales que cubren a cada persona de la cabeza a los pies.

� El aire se filtra continuamente y se hace recircular para mantener el nivel de partículas de polvo en un mínimo absoluto.

� La temperatura, la presión barométrica y la humedad se controlan de modo que los circuitos microscópicos totalmente protegidos.

� Una única partícula de humo podría destruir un proceso de crecimiento de un “chip”.

Entrando en una sala blanca

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Introducción

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Indice

� Vamos a estudiar los diferentes pasos de fabricación de un CI

I. Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos

II. Crecimiento Epitaxial de Capas III. Formación, Deposición y Propiedades de Capas Aislantes y Conductoras

IV. Procesos de Dopado en Semiconductores.

V. Procesos de Grabado y Litografía VI. Pruebas de Test

VII. Montaje y Empaquetado.

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Procesos de fabricación de un chip

Sección transversal de un HBT de IBM en un proceso BiCMOS

� La estructura de un chip es compleja (en su superficie y en su composición interna tridimensional).

� El chip se fabrica mediante muchas capas, cada una de las cuáles es diseñada de manera detallada. Por ejemplo:� Podemos crecer una capa fina de Si02 (material aislante) en la superficie de la oblea.� Sobre las oblea se deposita una capa protectora de polisilicio para evitar el contacto atmosférico (contra la

humedad, corrosión, contaminación, etc).

� El proceso de fabricación consiste en formar esta secuencia de capas de manera precisa.

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Procesos de fabricación de un chip

Sección transversal de un HBT de IBM en un proceso BiCMOS

� La fabricación del chip, tiene lugar mediante ciclo de un número de pasos llevados a cabo incluso hasta 20 veces.

� Se fabrican simultáneamente muchos chips sobre una oblea (de Si) a la que se le aplica una cubierta sensible a la luz, resina (1)

� Cada ciclo “fotolitográfico” comienza con un diseño diferente que se proyecta de manera repetida sobre la oblea (2)

� En cada lugar donde recae la imagen, se realiza un chip.

� La resina fotosensible se retira (3), y las áreas expuestas a la luz se “graban” mediante gases (3).

� Estas regiones se “impurifican” creando transistores (5)

� Los transistores se conectan en ciclos sucesivos añadiendo capas de metales y de aislantes (6).

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� Comparación de propiedades de diferentes semiconductores. Principalmente Si y GaAs

� Obtención de Si y GaAs de alta pureza: grado electrónico� Crecimiento de lingote de semiconductor:

� Método de Czochralski (CZ) � Método de la zona fundida (Floating Zone, FZ).

� Caracterización, corte y preparación de la superficie de la oblea :� Torneado, cortado, pulido, inspección de defectos

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I. Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos

Obleas o wafers semiconductoras, preparadas para la fabricación de

dispositivos

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� Utilidad y características del crecimiento epitaxial de semiconductores cristalinos.

� Técnicas de crecimiento epitaxial: � LPE� VPE, MOCVD� MBE: Reactor MBE

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II. Crecimiento epitaxial de capas

Reactor MBE

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Estudiaremos:� Formación de capas de aislantes nativas en el semiconductor: Si02

(capas de óxido que separan áreas conductoras unas de otras)� Deposición de capas dieléctricas (típicamente, Si02 y Si2N3), de

polisilicio y conductoras. � Métodos de deposición de capas: MBE, CVD, sputtering

� Realización de las metalizaciones y de los contactos (típicamente Al, Au, Pt, Ag) ⇒ contactos óhmicos y rectificadores).

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III. Formación de Capas Aislantes y Conductoras

Fotografía SEM de una matriz de líneas de metalización (rosas, verdes blancas y amarillas ) que realizan las interconexiones en una memoria RAM (varias celdas de memoria). El óxido aislante ha sido retirado. Gris (bajo metalizaciones es el Si).

Metalizaciones: Autopistas minúsculas� Finalmente, se añaden las delgadas capas metálicas y de polisilicio (interconexiones entre los transistores

individuales y entre otros dispositivos). Algunos chips contienen más de seis capas de cables de interconexión uniendo mas de 4 millones de circuitos.

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� Concepto y utilidad de los procesos de dopado� Áreas de las obleas seleccionadas mediante diseños detallados (realizados

de modo litográfico) pueden ser modificadas para ser más conductores añadiendo cierta cantidad de impurezas (dopantes).� Difusión � Implantación iónica. � Ventajas e inconvenientes de estos dos métodos.

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IV. Procesos de dopado en Semiconductores

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� Utilidad y aplicaciones del grabado seco y húmedo. � Proceso litográfico: realización de máscaras y

resinas. � Litografía óptica y de electrones.

� Como imprimir un libro en miniatura

� Los diseños son creados en las capas de Si02 utilizando una técnica de impresión denominada “fotolitografía”.

� Una capa fina de polímero sensible a la iluminación (llamado resina) se aplica sobre el Si02.

� Se proyecta luz ultravioleta a través de una mascara de cristal tan fina que se proyecta la imagen de la máscara sobre la resina.

� La resina que no ha sido expuesta a la luz se puede lavar mediante disolventes. También se elimina el Si02

protector mediante diferentes técnicas de grabado para prepararlo para el siguiente paso en el proceso.

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V. Procesos de grabado y litografía

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� En cada uno de los pasos del proceso, las obleas son minuciosamente examinadas con un equipo diseñado especialmente y controlado por ordenador, algunas de las medidas tienen lugar a escala atómica.

� Cuando se completa el proceso de metalización, todos los chips de la oblea son de nuevo analizados.

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VI. Pruebas de test

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� Los chips que pasan los rigurosos test eléctricos son entonces cortados de la oblea mediante sierras especiales de diamante y montados en empaquetados metálicos o plásticos especiales denominados “módulos”. Estos módulos son de nuevo comprobados.

� Materiales del substrato. � Montaje del chip sobre la estructura: leadframe

� Conexiones eléctricas. � Tipos de empaquetado. � Circuitos híbridos y placas de circuitos impresos.

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VII. Montaje y empaquetado