1 Pablo Alvarado Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados Introducción a la fabricación de Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados Circuitos Integrados Cartago, Costa Rica Octubre, 2006 Dr. Pablo Alvarado Escuela de Ingeniería Electrónica Instituto Tecnológico de Costa Rica Laboratorio de Elementos Activos Adaptado de: Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005
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Introducción a la fabricación de Circuitos Integrados
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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
4Pablo Alvarado
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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
5Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
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
6Pablo Alvarado
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)
7Pablo Alvarado
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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)
9Pablo Alvarado
Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
Historia (7)Historia (7)
Historia de los microprocesadores de Intel(Tomado de http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm)
• 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
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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
43Pablo Alvarado
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
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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
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Introducción a la Fabricación de Circuitos Integrados
ReferenciasReferencias
●Moreira, Paulo “Introduction to VLSI digital design” CERN, Suiza, 2005