TEMA 1 Tecnología y fabricación de CIs

TEMA 1
Tecnología y fabricación de CIs
Procesos básicos
Tema 1. Tecnología y Fabricación de CIs
Introducción
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 hilos
Bandas
Bandas
C/Ku/Ka
C/Ku/Ka
locales: bluetooth,
Banda L
Banda L
Módulos de interconexión ópticos:
Banda
Banda
Banda
LEDs
Láseres
Fotodectectores
Bandas
C/Ku/Ka
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L
L
L
Bandas
C/Ku/Ka
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Introducción
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
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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Indice
Vamos a estudiar los diferentes pasos de fabricación de un CI
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos
Crecimiento Epitaxial de Capas
Formación, Deposición y Propiedades de Capas Aislantes y Conductoras
Procesos de Dopado en Semiconductores.
Procesos de Grabado y Litografía
Pruebas de Test
Montaje y Empaquetado.
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Procesos de fabricación de un chip
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.
Sección transversal
de un HBT de IBM en
un proceso BiCMOS
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Procesos de fabricación de un chip
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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Sección transversal
de un HBT de IBM en
un proceso BiCMOS
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I. Crecimiento, Preparación y Caracterización de
Materiales Electrónicos
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
Obleas o wafers semiconductoras,
preparadas para la fabricación de
dispositivos
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II. Crecimiento epitaxial de capas
Utilidad y características del crecimiento epitaxial de
semiconductores cristalinos.
Técnicas de crecimiento epitaxial:
LPE
VPE, MOCVD
MBE: Reactor MBE
Reactor MBE
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III. Formación de Capas Aislantes y Conductoras
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).
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.
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).
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IV. Procesos de dopado en Semiconductores
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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V. Procesos de grabado y litografía
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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VI. Pruebas de test
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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VII. Montaje y empaquetado
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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