1Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Introducción a la fabricación de Introducción a la fabricación de Circuitos IntegradosCircuitos Integrados
Cartago, Costa Rica Octubre, 2006
Dr. Pablo Alvarado
Escuela de Ingeniería ElectrónicaInstituto Tecnológico de Costa RicaLaboratorio de Elementos Activos
Adaptado de:Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005
2Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
ContenidoContenido
Historia
Proceso de Fabricación
Magic
IETIX
Resumen
3Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
1883 Thomas Edison (“Efecto Edison”)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
1904 John Ambrose Fleming (“Diodo Fleming”)1904 John Ambrose Fleming (“Diodo Fleming”)RReconoce impacto del descubrimiento de Edison, y demuestra la rectificación de señales CA.
1906 Lee de Forest (“Triodo”)1906 Lee de Forest (“Triodo”)Añade una rejilla al diodo de Fleming lo que permite “amplificar” señales.
Los tubos al vacío continúan su evoluciónLos tubos al vacío continúan su evoluciónDominan 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.
HistoriaHistoria
Audion (Triodo)1906, Lee De Forest
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1940 Russel Ohl (Union PN junction)1940 Russel Ohl (Union PN junction)La union PN es desarrollada en los Laboratorios Bell.
19451945 Labs. Bell establece grupo para desarrollar alternativa de tubos al vacío. El grupo lo lidera William Shockley.
1947 Bardeen and Brattain (Transistor)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)1950 William Shockley (Transistor de juntura)Más fácil de producir que el transistor de contacto puntual.
1952 fabricación de silicio monocristalino1952 fabricación de silicio monocristalino
1954 primer transistor comercial de silicio1954 primer transistor comercial de silicioTexas Instruments
1954 Primer radio de transistores (Regency TR-1)1954 Primer radio de transistores (Regency TR-1)4 transistores de Texas Instruments
1955 Primer transistor de efecto de campo1955 Primer transistor de efecto de campoLaboratorios Bell
Historia (2)Historia (2)
Primer transistor de contacto puntual (germanio)1947, John Bardeen y Walter BrattainLaboratorios Bell
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1952 Geoffrey W. A. Dummer (concepto de CI)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 óxido1954 Desarrollo de proceso de enmascaramiento del óxidoProceso incluye oxidación, foto-enmascaramiento, corrosión y difusión
1958 Jack Kilby (Circuito Integrado)1958 Jack Kilby (Circuito Integrado)Oscilador con 5 componentes
1959 Invento de tecnología planar1959 Invento de tecnología planarEsta tecnología se usa aún en la actualidad
1960 Primer MOSFET fabricado1960 Primer MOSFET fabricadoEn los Labs. Bell, por Kahng
1961 Primer Circuito Integrado comercial1961 Primer Circuito Integrado comercialFairchild and Texas Instruments
1962 Invento de TTL1962 Invento de TTL
1963 Primer Circuito Integrado PMOS producido por RCA1963 Primer Circuito Integrado PMOS producido por RCA
1963 CMOS inventado1963 CMOS inventado
Historia (3)Historia (3)
Primer circuito integrado (Ge)1958 Jack S. Kilby,Texas Instruments
5 componentes entre transistores, resistencias y condensadores
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
1971 Primer microprocesador1971 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
Historia (4)Historia (4)
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
1982 Intel 802861982 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
Historia (5)Historia (5)
8Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
2000 Pentium 42000 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
Historia (6)Historia (6)
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Historia (7)Historia (7)
Historia de los microprocesadores de Intel(Tomado de http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm)
Año Chip L Transistores1971 4004 10µm 2,3k1974 8080 6µm 6k1976 8088 3µm 29k1982 80286 1,5µm 134k1985 80386 1,5µm 275k1989 80486 0,8µm 1,2M1993 Pentium 0,8µm 3,1M1995 Pentium Pro 0,6µm 15,5M1999 Mobile PII 0,25µm 27,4M2000 Pentium 4 0,18µm 42M2002 Pentium 4 (N) 0,13µm 55M2005 Pentium 4 (EE) 90nm 169M
10Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Ley de MooreLey de Moore
En 1965 Gordon Moore (entonces en Fairchild Corp.) notó que:
“La complejidad de integración se duplica cada 3 años”
Esta afirmación se conoce comúnmente como la “Ley de Moore”
Ha resultado “correcta” hasta este momento
¿Qué motiva este ritmo de desarrollo en tecnologías de integración?
¿El deseo de superación y motivación de las personas involucradas con tecnología?
y / o ¿es una motivación económica la mayor directriz?
Ventas de la industria de semiconductores:
1962, > $1000 Millones
1978, > $10 000 Millones
1994, > $100 000 Millones
11Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Motivador: EconomíaMotivador: 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 transistoresincremento de la funcionalidad
Incremento de la velocidad de relojmás operaciones por unidad de tiempo = incremento de la funcionalidad
Disminución del tamaño de característicassi se mantiene el área se mantiene el preciomejora en el desempeño
12Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Motivador: Economía (2)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.
13Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
¿Hay un límite?¿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.)
14Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Fabricación de unFabricación de unCircuito IntegradoCircuito Integrado
Paulo Moreira Introduction 15
Inversor CMOS
1
0
YA VDD
A Y
GNDA Y
Paulo Moreira Introduction 16
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
n+
p
GateSource Drain
bulk Si
SiO2
Polysilicon
n+
Paulo Moreira Introduction 17
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
SiO2
n
GateSource Drain
bulk Si
Polysilicon
p+ p+
Paulo Moreira Introduction 18
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
n+
p substrate
p+
n well
A
YGND V
DD
n+ p+
SiO2
n+ diffusion
p+ diffusion
polysilicon
metal1
nMOS transistor pMOS transistor
Paulo Moreira Introduction 19
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
n+
p substrate
p+
n well
A
YGND VDD
n+p+
substrate tap well tap
n+ p+
Paulo Moreira Introduction 20
Máscaras del inversor
• Transistores y conecciones se definen a través de máscaras
• La sección transversal se tomó en la línea punteada
GND VDD
Y
A
substrate tap well tapnMOS transistor pMOS transistor
Paulo Moreira Introduction 21
Vistas detalladas de las máscaras
• Seis máscaras– n-well– Polysilicon– n+ diffusion– p+ diffusion– Contact– Metal
Metal
Polysilicon
Contact
n+ Diffusion
p+ Diffusion
n well
Paulo Moreira Introduction 22
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 23
Oxidación
• Producir SiO2 en la parte superior de la oblea– 900°C – 1200°C con H2O o O2 en horno de oxidación
p substrate
SiO2
Paulo Moreira Introduction 24
Photoresist
• El Photoresist es un polímero orgánico sensitivo a la luz.
• Se suaviza en los sitios expuestos a la luz
p substrate
SiO2
Photoresist
Paulo Moreira Introduction 25
Litografía
• Exponer photoresist a través de la máscara del pozo n
• Eliminar photoresist expuesto
p substrate
SiO2
Photoresist
Paulo Moreira Introduction 26
Decapado (etch)
• Decapar el óxido con ácido hidrofluórico (HF)• Solo solo se ataca al óxido donde el resist ha sido
expuesto
p substrate
SiO2
Photoresist
Paulo Moreira Introduction 27
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
p substrate
SiO2
Paulo Moreira Introduction 28
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
n well
SiO2
Paulo Moreira Introduction 29
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
p substraten well
Paulo Moreira Introduction 30
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
Thin gate oxidePolysilicon
p substraten well
Paulo Moreira Introduction 31
Conformación del Polisilicio
• Usa mismo proceso litográfico anterior para dar forma al polisilicio
Polysilicon
p substrate
Thin gate oxidePolysilicon
n well
Paulo Moreira Introduction 32
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
p substraten well
Paulo Moreira Introduction 33
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
p substraten well
n+ Diffusion
Paulo Moreira Introduction 34
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 wellp substrate
n+n+ n+
Paulo Moreira Introduction 35
Difusión n (3)
• Eliminar óxido para terminar la conformación.
n wellp substrate
n+n+ n+
Paulo Moreira Introduction 36
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 substraten well
n+n+ n+p+p+p+
Paulo Moreira Introduction 37
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
p substrate
Thick field oxide
n well
n+n+ n+p+p+p+
Contact
Paulo Moreira Introduction 38
Metalización
• Depositar aluminio sobre toda la oblea• Conformar para remover exceso de metal, dejando
solo las conexiones
p substrate
Metal
Thick field oxide
n well
n+n+ n+p+p+p+
Metal
Paulo Moreira Introduction 39
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 40
Reglas de diseño simplificadas
• Reglas conservadoras para iniciar
41Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Niveles de abstracciónNiveles de abstracciónen el Diseño VLSIen el Diseño VLSI
System Specification
System
Functional Module
Gate
Circuit
Device SG
D
+
Le
vel of
Ab
str
actio
n
Low
High
Niv
el d
e A
bstr
acci
ón
Alto
Bajo
Especificación del sistema
Sistema
Módulo funcional
Compuerta
Circuito
Dispositivo
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Dominios de DescripciónDominios de Descripciónde Diseño VLSIde Diseño VLSI
Dominio Comportamental Dominio Estructural
Dominio Físico
Instrucciones
Subrutinas
AplicacionesSistemas OperativosProgramas
arquitectural
Procesador RISC
Transistores
Sumadores, compuertas, registros
circuital
RTL, lógico
Niveles de abstracciónMódulos
Celdas
Transistores
ChipsTarjetas
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
El flujo de diseño “analógico”El flujo de diseño “analógico”
EspecificaciónIngreso del
Diseño
Simulacióndel
Pre-layoutLayout
●Velocidad
●Potencia
●Ancho de Banda
●Área ...
●Crear esque-mático
●Dimensiona-miento de dis-positivos
●Simulación del circuito
●Rediseño
●Distribución
●Ubicación
●Enrutamiento
Front end Back end
44Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Flujo de diseño (2)Flujo de diseño (2)
VerificaciónExtracción del
Diseño
Extracción deElementosParásitos
Simulación delPost-layout
●Comprobación de reglas de diseño
●Comprobación de reglas eléctricas
●Extracción
●Layout vs Esquemático
●Extracción de elementos parásitos
●Simulación del circuito
●Rediseño
Front end Back end
45Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
ReferenciasReferencias
●Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005
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