Introducción al Diseño de Circuitos VLSI

El proceso de fabricación de circuitos integrados involucra una serie de etapas claves como fotografía, alineación y transferencia de complejos patrones de diseño sobre la oblea de silicio (wafer) utilizada para la construcción de los dispositivos.
Los procesos actuales de fabricación incluyen entre 15 y 20 pasos separados de patrones (patterns) para definir los transistores, diodos, resistores, y diversos niveles de interconexiones eléctricas.

Proceso de fotolitografía y transferencia de patrones

Para transferir patrones desde una placa óptica o máscara (mask) a una película fotosensible (photoresist) que cubre la superficie superior de la oblea se usa una transportadora de oblea (wafer stepper). La misma va colocando la oblea frente al sistema óptico que graba la imagen sobre cada chip que va a tener la oblea.
La Fig. 1 muestra la exposición de una imagen de máscara.

Figura 1

Después de completada la exposición, la transportadora pasa automáticamente al próximo chip y repite la exposición.
La imagen de la mascara patrón debe estar libre de distorsiones y el error permitido en la alineación es menos de 0,1 micrómetro.
La Fig. 2 muestra el proceso paso a paso de cómo se transfieren los diseños de la máscara a la oblea a través de la técnica de fotolitografía (photolithography)
El diseño (LAYOUT) consiste de una serie de máscaras usadas para crear la estructura del circuito integrado (IC).
Las líneas del diseño muestran la localización de las secciones que se cruzan (cross sections) a través de la oblea de silicio.
Típicamente, se necesitan sólo algunos micrómetros de la parte superior de la oblea para la estructura del dispositivo.
Para poder dibujar las secciones que se cruzan se debe conocer la secuencia de pasos de enmascarado y fabricación.
Cada proceso de fotolitografía y transferencia de patrones involucra 5 pasos (ver Fig. 2):

Figura 2

1. Se hace crecer una película de 500 nanómetros de Dióxido de Silicio (óxido en adelante) sobre la oblea. Para esto se coloca la misma en un horno a elevada temperatura. El silicio reacciona con el oxígeno para formar una película aislante de muy alta calidad.
2. La oblea se cubre uniformemente con una película de 1 micrómetro de material fotosensible (photoresist) aplicando una mezcla de material fotosensible y solvente y rotando la oblea a varias r.p.m. por 30 segundos y luego se hornea para evaporar el solvente.
3. Para el revelado (development), se expone la oblea a una luz ultravioleta (UV). Las áreas de la película fotosensible que fueron expuestas a la radiación ultravioleta se disuelven en una solución alcalina.
4. Después de “cocinar” el photoresist para evaporar residuos del solvente la oblea se sumerge en una cámara de vacío que contiene un plasma de fluor (similar a la descarga de una luz fluorescente). El plasma reacciona con el óxido y lo graba mucho más rápido que lo que se graba la película de photoresist. Una vez que el óxido está grabado sobre las áreas expuestas, el silicio subyacente también es grabado pero mas lentamente. Esto permite terminar la grabación antes de que se erosione el silicio.
5. El paso final consiste en remover el photoresist en un plasma de oxígeno. Este plasma ataca los materiales orgánicos como el photoresist, pero no al silicio o al óxido. De esa manera, el patrón se transfirió a la película de óxido. Cada vez que se graba un patrón se repiten los pasos 1 a 5.

Dopaje por implantación iónica

Se pueden incorporar impurezas aceptoras y donoras en regiones seleccionadas de la superficie superior de la oblea de silicio a través de implantación iónica. Se extraen iones de Boro, Arsénico o Boro de un plasma, se aceleran a través de energías de 20 KeV a 3 MeV y se envían a través de un haz de iones perfectamente dirigido. Este haz es escaneado hasta que la dosis exacta de impureza es implantada en la oblea. La dosis esta medida en iones por unidad de área.
Los iones bombardeados no penetran al óxido aislante, pero si al silicio, una vez que entraron en el silicio, los iones bombardeados son desacelerados y finalmente frenados al colisionar contra la red de silicio. Esto crea una zona dañada cerca de la superficie dado que descolocan a los átomos de sus posiciones originales. La zona dañada pierde su estructura cristalina y se vuelve amorfa. Calentando la oblea a 900 °C, la región dañada se vuelve a cristalizar, en un proceso denominado recocido (annealing). Durante el recocido, la mayor parte de los iones de impureza implantados se introducen en la región recristalizada reemplazando átomos originales y adicionalmente se difunden dentro de la oblea de silicio como se ve en la secuencia de la Fig. 3.

Figura 3

Depósito de películas conductoras y aisladoras

Como en todo circuito se necesitan películas o caminos conductores para el interconexionado microscópico de las distintas zonas. Estos caminos permiten el transporte de señales eléctricas en el dispositivo.
También se necesitan películas aislantes para separar los cruces entre dos o más niveles de interconexiones.
Las películas conductoras están fabricadas con silicio policristalino (polysilicon). Esta fina película conductora se deposita sobre los lugares que la necesitan a temperaturas de 600°C en un proceso de deposición química por vapor (CVD). El polisilicio está dopado con el máximo porcentaje de fósforo.
También se usa el Aluminio para los contactos. El mismo se deposita por pulverización (sputtering) a través de una descarga de plasma.
En cuanto a las películas aislantes, hay varios procesos para depositarlas. El aislante mas usado es Dióxido de Silicio (SiO2), también se agrega algo de Boro y Fósforo para permitir que el material se suavice y fluya a temperaturas de 900°C. Este proceso suaviza y aplana las superficies que son castigadas después de varios depósitos de materiales.

LAYOUT Básico

La Fig. 4 muestra el layout de un resistor, tal como se vería en un programa CAD (Computer Aided Design). A primera vista se espera que estos patrones correspondan exactamente con la máscara usada para la litografía. Pero de hecho, una máscara casi opaca (máscara de campo oscura) oscurecería las otras máscaras, aún con el uso de colores y efectos de “borde” y “relleno” del programa. Con lo cual sería imposible ver los diseños de otras mascaras.
Hay una solución simple, mostrar el negativo, o complemento de la máscara negra al representar el layout. Una máscara de campo claro tiene pocas regiones opacas y se muestra directamente.
Se debe tener siempre presente cuales son los campos oscuros y cuales los claros para producir correctamente las máscaras, de lo contrario se cometerían errores que arruinarían el proceso.

En el Layout del resistor, la máscara de óxido se identifica como una máscara de campo oscura. Dado que se muestra el negativo en el Layout, el rectángulo es claro en la mascara actual.
Es conveniente ver los cortes de las secciones de cruce A-A y B-B después que el óxido fue grabado en el paso 1 Si esta máscara hubiera sido de campo claro, el óxido hubiera sido removido en todas partes excepto en el rectángulo, el cual debería haber sido oscuro en la máscara física. En la Fig. 5 se ven los pasos para fabricar el componente.

Reglas de diseño geométrico

Las superposiciones entre los patrones de diferentes máscaras se especifican en las reglas de diseño geométrico para el proceso. Estas reglas permiten especificar los tamaños y las separaciones y la geometría entre los bordes y secciones de los patrones de diferentes máscaras.
Veamos en las siguientes figuras, el proceso de fabricación de un MOSFET

Figura 6a

Figura 6b

Figura 6c