CONSTRUCCION DE CIRCUITOS INTEGRADOS

CONSTRUCCION DE CIRCUITOS INTEGRADOS:
La invención del circuito integrado fue concebida aproximadamente en los años 50´ donde se presentaron
algunos esquemas para la elaboración de estos componentes dentro de un solo bloque de silicio, pero fue
hasta 1960 cuando se fabricaron los primeros circuitos integrados.
Los primeros circuitos integrados de pequeña escala fueron de compuertas implementadas con lógica
resistor transistor (RTL), lógica diodo transistor (DTL), lógica acoplada por el emisor (ECL), lógica de
transistor transistor (TTL).
A mediados de la década de los 60´ apareció la integración a mediana escala con hasta 200 compuertas
por pastilla con ella se fabricaron circuitos de multivibradores (flip flop), contadores y registros de
desplazamiento de 10 bits y memoria de escritura y lectura de 64 bits, CMOS.
En la actualidad la industria de los circuitos integrados se producen de pastillas de 2 x 3 mm, con
dimensiones de 10µm, retrasos de propagación de 1 ns y densidades de 300 componentes por milímetro
cuadrado. Al final de la década pastillas hasta de 7mm² contenían hasta 2400 componentes por mm².
De los productos que existen en el mercado, se distinguen de familias lógicas genéricas por ejemplo TTL
que existen varias modificaciones como TTL de baja potencia, TTL de alta velocidad, TTL endurecida por
radiación, TTL schottky.
Cualquiera de ellas puede fabricarse mediante varias técnicas: implementación de iones, oxido aislado,
triple difusión, con contactos de metal refractario.
La familia lógica con mayor rapidez es la ECL. Sus principales inconvenientes son: alta disipación de
potencia, niveles lógicos inusuales y voltajes de suministro no usuales
Los circuitos MOS se producen desde mediados de la década de los 60´. Los primeros circuitos fueron los
LSI fueron pastillas para calculadoras con compuertas metálicas.
La CMOS es la única familia MOS que existe en el mercado con una gran variedad de circuitos SSI y MSI
que también se emplean en memorias y circuitos lógicos LSI.
Una de sus ventajas es su extremadamente baja disipación de potencia en el modo auxiliar. Esto ha
propiciado su empleo en memoria no volátiles y en calculadoras con memoria, otra de sus ventajas es su
capacidad de operación de suministro de 3 a 20 v.
Para la elaboración de estos circuitos el silicio se oxida a altas temperaturas, produciendo una capa de
oxido con excelentes propiedades mecánicas y eléctricas. El oxido se emplea como capa de pasivacion
para proteger la superficie del silicio de la contaminación como dieléctrico para los capacitares y las
compuertas MOS, como capa de aislamiento como protección para la difusión y la implementación de
iones y como aislamiento entre elementos activos.
El procesamiento de fabricación más sencillo es para la familia MOS de compuertas de aluminio de un
solo canal. La primera y menos costosa familia fue la de los PMOS, pero ya es obsoleta y los pasos de
procesamiento se ilustran para los NMOS de compuertas de aluminio y para los CMOS de compuertas de
silicio con implementación de iones.
El paso inicial es el desarrollo de oxido de campo de 1 µm de espesor. A esto sigue la primera operación
de enmascaramiento a fin de definir fuentes, drenajes y subcruces. Esta función no es crítica y no se
requiere un control preciso. La segunda mascara se emplea para eliminar el oxido en las regiones en las
que se habrá de formarse las compuertas. Este paso requiere una alineación precisa de la máscara, ya
que la compuerta debe superponerse ligeramente a la fuente y al drenaje a fin de asegurar que canal
conducirá cuando sea necesario; cualquier superposición excesiva incrementara la capacitancia de la
compuerta a la fuente y al drenaje y reducirá la velocidad.
El desarrollo del oxido en la compuerta también es un paso critico, ya que el oxido debe ser delgado, pero
sin perforaciones y libre de contaminantes que pudiera provocar deriva en el voltaje umbral. De otra forma,
dicho voltaje depende de la concentración de impurezas del sustractor y del grosor del oxido. Las
mascaras tercera y cuarta definen los cortes en los contactos y los patrones de metalización,
respectivamente. En este caso los electrodos de compuerta y las interconexiones son de aluminio, en
contraste con lo que ocurre en el proceso de compuertas de silicio. Por último se aplica la capa de
protección de ralladuras y la quinta mascara se emplea para exponer las almohadillas de empalme.
Una vez terminado el procesamiento de las tabletas, cada pastilla se verifica electrónicamente en una
estación de pruebas y las que no cumplen las especificaciones requeridas se marcan a fin de eliminarlas.
La fracción de pastillas que pasa la prueba se denomina rendimiento, y es una indicación de calidad del
proceso de manufactura. El siguiente paso es la separación de los cuadritos menudos o lascas
individuales formando en la tableta una cuadricula con marcas de corte de unos 150 µm de ancho.
Durante el procesamiento de las tabletas se elimina todo el oxido de las marcas a fin de facilitar la
separación de las lascas. El método de separación más antiguo, que sigue siendo de uso común, consiste
simplemente en rayar y quebrar. En este método, la superficie de la tableta se raya con una herramienta
con punta de diamante a lo largo de las marcas en cada dirección y con rodillo de hule blando se ejerce
suave presión a fin de quebrar las tabletas en los cuadritos menudos individuales. Otros métodos de
separación que se emplean actualmente son los de aserrado con diamante, recorte con rayo laser y
algunas veces grabado químico.
Las pastillas no defectuosas se empalman a presión en un empaque adecuado sobre una estructura
conductora mediante adhesión eutéctica, con un bizcocho de soldadura de oro germanio, o con resinas
epoxicas.
Lógica acoplada por emisor
La familia lógica acoplada por emisor es la lógica más rápida que existe en el comercio. Una serie de
compuertas SSI se caracteriza por retardos de propagación de 2ns con 25 mW de disipación, y otra serie
por retardos de 1ns de disipación de 50mW. A estas velocidades, las interconexiones de los tableros de
circuitos impresos más largas que en unos cuantos cm requiere técnicas especiales.
Los parámetros electrónicos de las ECL son diferentes en varios sentidos de los de las otras familias
lógicas. El voltaje de la fuente de energía es diferente, y los niveles lógicos asumen valores poco
comunes. La disponibilidad de salidas OR/NOR en una sola compuerta y la posibilidad de conexiones de
diseño y menor número de compuertas. Aun cuando la disipación de compuerta es elevada, la operación a
velocidades muy altas no incrementa la disipación, y oscilaciones momentáneas más pequeñas de
conmutación simplifican el filtrado de la fuente de energía. La inmunidad al ruido es mejorada por el
elevado rechazo de modo común del interruptor diferencial de corriente en la entrada. Por último, las
salidas de la etapa de emisor seguidor ofrecen baja impedancia de salida y simplifican el accionamiento de
la línea de transmisión.
Las compuertas ECL se fabrican mediante técnicas bipolares ordinarias, con unas pocas modificaciones.
No se requiere impurificación con oro para reducir el tiempo de almacenamiento en las familias lógicas
saturadas. Suelen realizarse una difusión tipo n extra, profunda y fuertemente contaminada, a fin de
proporcionar una trayectoria de baja resistencia al subcolector enterrado. Así se reduce al mínimo la
resistencia del colector.
A pesar de la alta disipación de la compuerta, la ECL ha encontrado aplicaciones cuando se requiere una
alta velocidad de cómputo. Para acompañar la lógica de alta velocidad existen en el mercado pequeñas
memorias ECL con tiempos de acceso de 3 a 10 ns. En algunos casos, la lógica ECL se incorpora e la
misma pastilla en otras familias lógicas, aun cuando la ECL se introdujo hace más de veinte años, parece
que su empleo seguirá en aumento a fin de satisfacer las necesidades de nuevas aplicaciones de alto
rendimiento.
Circuitos integrados CMOS
La lógica MOS se fabrica mediante las mismas etapas del procesamiento ya descrito anteriormente,
excepto que se emplean tipos opuestos de impurezas.
Carece de relación beta, debido a que el voltaje de salida de una compuerta no depende de la relación de
las betas en los transistores. Sin embargo, su característica más extraordinaria es la entradamente baja
disipación de potencia, del orden de los nanowatts por compuerta en el modo de reversa o auxiliar. Esto se
logra conectando los transistores de modo que solo exista una trayectoria de conducción de la fuente de
energía a tierra cuando los transistores estén conmutando.