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El proceso TecnológicoEl proceso Tecnológico
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El proceso tecnológicoEl proceso tecnológico
Consiste en una serie de pasos ordenados rigurosamente para la transferencia del diseño gráfico de un chip a una oblea de silicio monolítico
La transferencia se basa en una copia de cada rasgo del diseño a reproducir:Por fotolitografíaPor barrido con haz de iones
La copia de cada rasgo se lleva a cabo en una serie de operaciones de proceso
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Producción de Silicio monocristalinoProducción de Silicio monocristalino
SiCl4 H2 ClH
Bobina de RF
Ventana Acceso
Se depositan vapores de silicio (policristalino) sobre silicio ya cristalizado, bien en bruto, bien en obleas en proceso
El silicio a purificar se funde posteriormente en uncrisol de cuarzo, de donde se extrae por el método de Czochralski
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Método de Czochralski para producción de monocristales
Método de Czochralski para producción de monocristales
Si (fundido)
Arrastre de unos cm/hSi (semilla)
Si (sólido)
Depuración del lingote de Silicio
Bobinas de RF
de caldeamiento
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Proceso de CzochralskiProceso de Czochralski
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CzochralskiCzochralski
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Lingotes y obleasLingotes y obleas
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Lingotes y obleasLingotes y obleas
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Preparación de obleasPreparación de obleasO2
Lavado Pulido
Implante de fallos (Ar)
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Preparación obleasPreparación obleas
Pulido:•Produce obleas lo más planas posibles
Lavado:•Elimina restos de diferente índoleS04H2 + NO3H : aceites, grasa, ceraFH : óxido de SilicioNH4OH + H2O2 : restos orgánicos, FHClH + H2O2 : metales ligeros y pesados
Implante de iones de Argon:•Produce fallas que atraen a otras fallas
Oxidación a 4000:•Protege superficies inactivas y atrae fallas
Tamaño, espesor y aplanamiento de la oblea:•Mal alineamiento, tensión mecánica, diámetro/espesor
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FotolitografíaFotolitografía
Depósito de fotorresina y centrifugado
Radiación UV 200 nm
Alineación e insolación
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FotolitografíaFotolitografía
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FotolitografíaFotolitografía
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Proceso fotolitográficoProceso fotolitográficoAplicación adhesivo en oblea por aspersiónCocido a 180º para eliminar humedadAplicación resina filtrada sobre oblea en giroPrecocido a 90º (30´)Exposición de prueba y errorRevelado por aspersión y giroPostcocido a 120º (30´)Eliminación de resina por ataque con SO4H2+NO3Ho disolventes orgánicos
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FotorresinasFotorresinas
Fotonegativas: resina+fotosensibilizador polimeriza con el UV y protege la zona expuestaFotopositivas: resina+fotoactivante degrada la resina a un ácido orgánico que se lava con KOHLas fotorresinas negativas:
Polimerizan en largas cadenas, que limitan la miniaturizaciónNo presentan IntxTex=cte con lo que se gradúan malSon sensibles a la baja intensidad de iluminación
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FotorresinasFotorresinas
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Producción de máscarasProducción de máscarasBarrido por haz electrónico
Base de Cuarzo
Aspectos críticos de las máscaras:Ancho mínimo de línea alcanzableAlineamiento entre máscarasRelación ataque lateral/profund.
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Producción de máscarasProducción de máscaras
Mínima vibración durante la reducciónBase de vidrio poco sensible a la dilataciónBaja absorción de UVAlto grado de aplanamientoImprimación con alta absorción: Cromo (duro, lavable) aunque es muy reflectanteLimpieza periódica: cepillado, soplado, uso de disolventes suaves como metanol o acetona
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Errores de EnmascaramientoErrores de Enmascaramiento
Error de Ampliación
Error de Deslizamiento
Error de Periodicidad
Errores de operador:Alineamiento
Errores de herramienta:TemperaturaAmpliaciónDistorsión
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Tipos de AlineamientoTipos de AlineamientoPor contacto o superposición:La máscara se deterioraPor proximidad:Se produce difracción (50-160 K$)Por proyección:Sistema más caro (200-500 K$)Por exposición repetitiva:Los fallos se reproducen
Máscara Oblea
Espejo
Espejo
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Errores de AlineamientoErrores de Alineamiento
Se acumulan. Distancia media de desviación después de n pasos:
r=n1/2σσ: desviación típica de un paso
Factores de interés:Resolución ancho líneaLongitud onda exposiciónPrecisión instrumentaciónUniformidad iluminaciónTiempo e intensidad exposición
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Fotolitografía: TransferenciaFotolitografía: Transferencia
Definición de Metal
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Errores de FotolitografíaErrores de FotolitografíaLa fotolitografía requiere limpieza en producción y uso de las máscaras (muerte por contaminación)
Defectos más comunes:Agujeros en pistasMala delineaciónManchasPuentes entre pistasPistas abiertas
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Errores en metalesErrores en metales
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Producción de MáscarasProducción de Máscaras
Patrón original generado por computador:
Plotter Reducción 1:20 Reducción 1:10 Máscara
Generador Optico Reducción 1:10 Máscara o proyección
Generador haz electrónico Reducción 1:5 Máscara
Generador haz electrónico MáscaraHaz electrónico sobre oblea
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Operaciones del procesoOperaciones del proceso
Oxidación húmedaOxidación seca
DifusiónImplante iónico
DeposiciónAtaque a materiales silíceos (Si, SiO2)
Ataque a materiales metálicos (Cu, Al, Ni)
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Oxidación húmedaOxidación húmedaFactores de interés:
Velocidad y temperatura (µm/h)
Material resultante muy poroso (H2)
Malas cualidades como aislante
Si + 2 H2O SiO2 + 2 H2
H2
O2
N2
H2O
N2
H2ON2
H2O
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Oxidación secaOxidación secaFactores de interés:
Velocidad y temperatura (nm/h)
Material resultante muy compacto
Buenas cualidades como aislante
Si + O2 SiO2
Otros factores a considerar:
Relación Si/Si02: aprox. 0,45
Optimetría on-line de espesor
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DifusiónDifusión
Profundidad de difusión:•Afecta a tamaños y reglas
Concentración superficial:•Afecta a contactos óhmicos
Integral del perfil de impurificación:•Afecta a la resistividad superficial
Perfil en la unión:•Afecta a la capacidad de la unión Ley de Fick:
J=-D∇nJ: flujo de partículas/cm2
D: constante de difusiónn: concentración local de impurezas
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Metodología de la DifusiónMetodología de la DifusiónFuentes sólidas
•Hidruro de Fósforo: PH3•Anhidrido Fosfórico: P2O5•Oxido Bórico: B2O3
Fuentes líquidas•Oxicloruro de Fósforo: POCl3•Tribromuro de Boro: BBr3
Procesos en la superficie activaP2O5 + Si P + SiO2B2O3 + Si B + SiO2
Bobina de RF
B2O3
N2
N2
Ventana Acceso
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Factores secundarios de la difusiónFactores secundarios de la difusión
Implante y drive-in deIones de Boro
Redistribución por ionizaciónLos iones donadores se repelen entre sí y fomentan la redistribución espontánea
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Perfil de una uniónPerfil de una unión
yPerfil de unión
Redistribución térmica
y
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Implante iónicoImplante iónico
+ -Acelerador
ObturadorLente Oblea
Deflectores
Filtro magnético
Fuente iones
Pantalla de protección: Fotorresist o SiO2
Utilidad en: Ajuste fino tensión umbral y control de resistividad en Si-Poli
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Ataque a material silíceoAtaque a material silíceoFH
Ataque químico seco:No contamina con Na ni metalesPermite seguimiento “on-line”Buen control velocidad procesoBuen control ataque lateralBuena adherenciaComplejo y costoso
El sobreataque asegura perforación de aislantes, elimina puentes no deseados y residuos
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Ataque a material metálicoAtaque a material metálicoPO4H3 + NO3H + CH3COOH + H2O
Alta corrosión lateralDepende de temperatura y concentraciónTipos de atacantes:
Si Poli: NO3H + FHSi Cris: N2H4 + H2OPulido: FH + NO3H + CH3COOHSiO2: H2O + FH + FNH4N4Si3: PO4H3Al: PO4H3 + NO3H + CH3COOH
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Ataque químicoAtaque químico
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Deposición metálicaDeposición metálica
Evaporación por filamento incandescenteEl calentamiento expulsa átomos del filamento en forma de vapor
Se usa corriente contínuaEs un método baratoEl metal se contamina fácilmenteNo funciona con aleaciones
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Deposición metálica (II)Deposición metálica (II)
Bombardeo por haz electrónicoEl calentamiento expulsa átomos del filamento en forma de vapor
Alta tasa de depósitoBaja contaminaciónFunciona continuadamentePuede evaporar aleaciones (Al/Cu)Se producen rayos x
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Deposición metálica (III)Deposición metálica (III)
Calentamiento por RFSe calienta el metal utilizando una bobina de radio frecuencia
No produce ionizaciónCalienta el metal, no el recipienteNo produce contaminación
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Deposición metálica (IV)Deposición metálica (IV)
SputteringConsiste en el bombardeo con iones Argon a 500-1000 eV sobre metal en una cámara de vacío
- + Ar
Metal (cátodo)
Oblea (ánodo)
Vacío
ElectronesIones ArgónMetal
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Deposición químicaDeposición química
Se utiliza para formar capas de diferentes materiales sobre las obleas
Se produce por interacción de las capas de gas adheridas a la superficie
Las paredes del horno se refrigeran para evitar depósitos indeseados
Bobina de RF
Ejemplo de deposición de SiO2
Ventana Acceso
SiH4 O2 H2
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Deposición químicaDeposición químicaSilicio policristalino:
SiH4 (g) + Q Si + 2H2 (g) 600º-700º
Dióxido de Silicio:
SiH4 (g) + 2O2 (g) SiO2 + 2H2O (v)
400º-500º
Se usa si no es posible oxidar directamente. Puede requerir recocido
Nitruro de Silicio:
3SiH4 (g) + 4NH3 (g) Si3N4 + 12H2 (g)
800º-900º
Se usa como dieléctrico de alta ε, y para evitar difusión de impurezas
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DepósitosDepósitos
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Estructura básica CMOS proceso pozo nEstructura básica CMOS proceso pozo n
Vs
Ve Ve
VSS VDD
n+p+ p+ p+n+ n+n
p
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Ventajas e inconvenientes de la tecnología CMOS
Ventajas e inconvenientes de la tecnología CMOS
La tecnología CMOS era conocida desde principios de los años 70.Presentaba un consumo de energía muy bajo frente a nMOS.La tecnología nMOS era más rápida, y permitía mayores densidades de integración.El principal freno a su implantación fuera de relojes y calculadoras (por el bajo consumo) lo constituyó el Efecto de latch-up.Esta limitación se supera hacia mediados de los 80.
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Consumo de nMOS frente a CMOSConsumo de nMOS frente a CMOS
V5,4RR9
R9)05(
RRR)VV(V
tt
t
tu
uSSDDu
=+
−=
=+
−=
+
Ru I
0
5Rt
-+ 5
0,5t
V5,0RR9
R)05(
RRR)VV(V
tt
t
tu
tSSDDt
=+
−=
=+
−=
-
tuSSDD
t RRVVI
+−
=
P = 1/2(VDD-VSS) It
0
5
5
0
P = Pi f
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Funcionamiento del Transistor BipolarFuncionamiento del Transistor Bipolar
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Efecto de latch-upEfecto de latch-up
VsVe VeVSS VDD
n+p+ p+ p+n+ n+n
pRs Rw
pFnWpSnF
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Efecto de Latch-UpEfecto de Latch-UpVSS VSS+VRS VDDVDD-VRW
VDD
VDD-VRW
VSS
VSS+VRS
RW
RS
¡Fussfrissshh...!
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Soluciones al efecto de latch-upSoluciones al efecto de latch-up
Estas son algunas de las medidas que pueden reducir el efecto:
•Aumentar dimensiones (contradict.)•Disminuir Rw y Rs (mejores contac.)•Colocación de anillos de guarda•Utilización de soportes aislantes
n+p+ p+n+
np
n+ p+ p+n+
Vs VDD
Ve Ve
VSS
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La tecnología SOSLa tecnología SOS•Consiste en hacer crecer monocristales de silicio sobre una base de zafiro (Silicon on Saphire).•Es un caso particular de la tecnología SOI (Silicon on Insulator), consistente en crecer los sustratos sobre una base aislante.•Aisla los sustratos.•Es más resistente a la radiación.•Es muy cara.•Menor densidad de integración.
n+p+ p+ p+n+ n+np
Base de Zafiro (Al2O5)
Ve Ve
VsVSS VDD
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Sitios de interésSitios de interés
Parte del material utilizado en el presente tema procede de las siguientes fuentes:
http://www.physics.udel.edu/wwwusers/watson/scen103/litho/
http://www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Semiconductors.htm
http://www.cs.colorado.edu/~lindsay/talk/
http://www.intel.com/education/makingchips/index.htm