La MICROELECTRÓNICA se puede definir como el conjunto de
ciencias y
técnicas con las que se realizan y fabrican circuitos
electrónicos sobre una
pastilla de un semiconductor, lo cual formará un circuito
integrado (CI).
Dentro de estos circuitos integrados, podemos encontrar
diferentes estrategias de diseño, como
pueden ser los circuitos integrados en los que se deben
construir tanto las puertas como las
conexiones, denominados habitualmente ASICs (Application Specific Integrated Circuits),
circuitos
programables en los que se encuentran ya construidos
todas las puertas y conexiones de
tal forma que únicamente hay que indicar cuales están
habilitadas mediante una programación,
denominados dispositivos programables (un ejemplo de los
cuales pueden ser las FPGAs,
Field Programmbled Gate Arrays).
La división existente en los circuitos electrónicos
también es válida para la Microelectrónica,
es decir, podemos diferenciar entre Microelectrónica
Analógica y Digital, según la naturaleza
de las señales tratadas. No obstante, el auge de la
Microelectrónica surgió gracias a una
propiedad de los sistemas digitales: la jerarquía.
La propiedad de jerarquía es aquella por la cual un
sistema puede estar compuesto
de bloques conectados entre sí, de tal forma que dichos
bloques son
independientes entre sí y de su conexión.
A pesar de que un circuito analógico también puede ser
construido por una serie de bloques
conectados entre sí; estos bloques no serán
independientes de su conexión (e incluso su situación
en la base del semiconductor) debido a la naturaleza real
de las señales analógicas (pueden
tener un rango infinito de valores). En cambio, el
carácter digital de las señales de los
sistemas digitales provee dicha independencia y así la
posibilidad de desarrollar un sistema
completamente jerárquico. A modo de ejemplo, podemos ver
en la figura 1.1 dos ASICs: el
caso (a) sería un diseño analógico; y el caso (b) sería
un diseño digital. En el caso analógico
podemos ver unas estructuras formadas por los mismos
bloques dispuestas de una manera
especial (parecida a una circunferencia). Bien, esta
disposición no es aleatoria sino que debe
ser así para garantizar el mismo comportamiento en todos
los bloques. En cambio, en el circuito
digital podemos apreciar bloques comunes, cuya
disposición obedece únicamente a contribuir
a que el
sistema completo sea lo más compacto posible.
podemos apreciar una clasificación de los sistemas
digitales desde un
punto de vista jerárquico. Según dicho esquema los
sistemas digitales se pueden representar
desde bloques de muy alto nivel, como pueden ser
procesadores y/o memorias, hasta un circuito integrado, el chip. Normalmente en
el campo digital se suele utilizar un proceso de
diseño top-down, en el cual partimos de las
especificaciones de más alto nivel, y llegamos al
circuito integrado pasando por todos los niveles de jerarquía.
Ejemplos de diseños microelectrónicos (a) analógicos y
(b) digitales
Dentro de este proceso podemos
distinguir dos fases bien diferenciadas.
En la primera fase se obtiene el circuito lógico a partir
de descripciones de alto nivel. El
resultado de esta fase será un diagrama o una descripción
de en un HDL (Lenguaje de Descripción
de Hardware) con las conexiones de puertas, registros,
etc, es decir, bloques abstractos en
función del nivel en el que nos encontremos. Esta fase ya
ha sido tratada a lo largo de diferentes
asignaturas por lo que no será tratada.
En la segunda fase, se construirán los bloques
mencionados anteriormente según una
familia lógica, de tal forma que están completamente
determinados el tamaño, la forma y la
estructura interna de cada uno de los bloques. En esta
fase, el diseñador debe obtener los diferentes
esquemas a nivel de transistores (moviéndonos en el nivel
eléctrico); y a partir del cual
se obtendrá el layout del circuito (moviéndonos en el
nivel geométrico).
El layout se puede definir como una representación física
de un circuito electrónico
que está sujeto a limitaciones derivadas del proceso de
integración, el
flujo de diseño y requerimientos de prestaciones.
Una vez que tenemos un layout correcto, se pasa a la foundry
(que es la fábrica encargada de
obtener el circuito físico) para que lleve a cabo todos
los procesos de integración. La corrección
del layout se debe llevar a cabo en un doble sentido:
• una verificación funcional, en la cual ha de
verificarse que las capas incluidas en el
layout, así como su distribución, sean equivalentes al esquema
eléctrico de partida.
dicha verificación se suele conocer como LVS (Layout
Versus Schematic)
• una verificación geométrica, en la cual ha de
verificarse que las capas de un determinado
material están lo suficientemente separadas como para
que, al finalizar el proceso
de integración, dichas capas estén realmente separadas.
Dicha verificación se
suele conocer como DRC (Design Rules Checking).
Esta verificación es lo suficientemente
importante como para que la foundry vuelva a
realizarla para evitar fallos.
Por lo tanto nos vamos a centrar en los niveles
eléctricos y geométricos, por ser aquellos que
no se han
visto y en los que la acción del diseñador es importante.
Antes de continuar, vamos a realizar un breve recorrido
por la historia que nos trajo la
Microelectrónica.
Todo ello empezó con la necesidad de realizar cálculos
matemáticos intensivos. Esta
necesidad no es reciente. De hecho en 1834, Babbege
desarrolló una máquina calculadora (con
las operaciones básicas de suma, resta, multiplicación y
división) utilizando dispositivos mecánicos;
a pesar de lo cual su filosofía no se diferencia mucho de
los ordenadores de hoy día, es
decir, realizaba las operaciones en dos ciclos: almacenar
y ejecutar, y tenía una estructura en
pipeline para acelerar las operaciones. No
obstante, dicha máquina fue impracticable para la
época debido al coste excesivamente elevado.
Con la llegada de las soluciones eléctricas, el coste se
abarató. Como muestras de esta
época podemos indicar la utilización de los relés y de
los tubos de vacío. Uno de los campos en
los que la utilización de los relés fue mayor es el campo
ferroviario, de hecho, aun en nuestros
días se suelen utilizar estos dispositivos. Se puede
decir que la era digital comenzó con los
tubos de vacío, ya que con ellos se desarrollaron las
primeras computadoras: ENIAC y UNIVAC
I (la primera de ellas con fines militares y la segunda
fue la primera computadora comercial).
No obstante, esta tecnología alcanzó pronto su límite
debido al elevado consumo de
potencia que tenían.
Seguidamente entraron en escena los semiconductores con
los transistores bipolares y
MOSFET. A pesar de que los transistores MOSFET (1925)
fueron desarrollados antes que los transistores
bipolares (1947), al principio sufrieron una serie de problemas por los cuales
su aplicación al procesado digital fue frenado. Así que continuamos con los
transistores bipolares,
con los cuales se empezaron a integrar los primeros
circuitos integrados en la familia TTL
(Transistor-Transistor-Logic). De nuevo se llegó al techo
con el consumo de potencia, a pesar
de ello sigue siendo muy utilizado en dispositivos SSI e
incluso MSI. Con la solución de los
problemas mencionados anteriormente a partir de 1970, los
transistores MOSFET entraron en
la escena del procesado de señal digital. Esta entrada
culminó con la fabricación del primer
microprocesador
en 1972, el 4004.
La fabricación de un circuito integrado consiste de una
serie de pasos en un orden específico.
El material base de los circuitos integrados es una oblea
o disco de semiconductor. La tecnología
más desarrollada es la basada en silicio (Si), aunque
también existen tecnologías a base
de otros semiconductores como arseniuro de galio (GaAs) o
germanio y silicio (SiGe). No obstante,
todas las tecnologías siguen unos pasos similares. El
semiconductor no está en equilibrio
eléctricamente, sino que unas cantidades controladas de
impurezas son añadidas para dotar al
cristal de las propiedades eléctricas requeridas. Dichas
impurezas pueden ser donadores (cargados
eléctricamente con signo negativo), que se corresponden
al tipo n; o aceptoras (cargadas
eléctricamente con signo positivo), que corresponden al
tipo p. En función del tipo de estas
impurezas podemos encontrarnos con diferentes tipos de
procesos:
• Procesos de n-well (utilizado principalmente en Europa)
en el que el dopado de la
oblea es de tipo p.
• Procesos de p-well (utilizado principalmente en Estados
Unidos) en el que el dopado
de la oblea es de tipo n.
• Procesos de well gemelos (el cual se está extendiendo
cada vez más) en el que el
signo del dopado de la oblea no tiene demasiada
importancia ya que se van a generar
los dos tipos de well (n-well y p-well).
Como los tres tipos de procesos son similares, nos vamos
a centrar en uno de ellos, en particular
en el proceso de n-well. Dicho proceso se muestra en la
figura 1.4, más concretamente la
oblea sería el paso (a).
La primera máscara define el n-well (figura 1.4b). Esta
zona, el n-well, es el lugar en el
que se van a implementar los transistores PMOS. En esta
etapa también se depositan capas de
óxido grueso (denominado de campo), SiO2, para separar
cada una de las regiones (figura
1.4c).
La siguiente capa que se deposita es la llamada óxido de
puerta (o fino), la cual se obtendrá
por el crecimiento de las zonas de óxido de campo (figura
1.4d). Dicha capa constituirá con
el polisilicio el terminal de puerta de los transistores.
Una vez que se ha depositado el óxido de puerta, se
coloca el polisilicio (figura 1.4e) y se
despeja el resto de óxido de puerta para permitir la
creación de los terminales de fuente y drenador
El siguiente paso es difundir los terminales de fuente y
drenador de los transistores
NMOS (figura 1.4g), y seguidamente los terminales
correspondientes a los transistores PMOS
(figura 1.4h). También se crean los contactos con las
zonas de polarización: regiones n+ sobre
el n-well, y regiones p+ sobre el resto del CI.
Una vez creadas las diferentes regiones n+ y p+, se pasa
a la inserción de la primera capa
de metal (figura 1.4i). El contacto físico de este
material (por lo general aluminio, aunque se
está probando con cobre en los últimos tiempos) con el
polisilicio y las zonas de difusión provocará
un contacto eléctrico. No obstante hay que indicar que
aquellas zonas en las que no se
requiere
contacto, habían sido ocupadas con óxido de campo evitando de esta forma el
contacto.
Para la segunda (y restantes capas) capa de metal se
coloca una nueva capa
de óxido de campo por todo el CI excepto en los lugares
donde exista un contacto entre la capa
actual y la anterior. Después se deposita la capa de
metal en los lugares correspondientes. Cabe
destacar que el material de todas las capas de metal
existentes, en la tecnología utilizada, es el
mismo, es decir, aluminio (o cobre).
En todos estos pasos podemos distinguir dos tipos de
acciones: crear zonas de difusión y
de well, que alterará la composición interna de la oblea;
y la deposición de material sobre la
oblea. La primera acción se puede conseguir a través de
dos proceso diferentes: difusión e
implantación iónica.
• El proceso de difusión consiste en depositar sobre la
oblea un material desde el cual
obtener las impurezas deseadas y calentarla oblea a una
temperatura elevada. De esta
forma, los espacios intersticiales del semiconductor
aumentan, y así las impurezas
pueden ocupar estos espacios.
• El proceso de implantación iónica consiste en
bombardear la oblea con las impurezas
que se quieren difundir. Dicha difusión sólo se producirá
en las zonas que no se
encuentren protegidas por una máscara de material.
En cuanto a la segunda acción, el proceso mas utilizado
es la fotolitografía. Dicha técnica consiste
en depositar por todo el circuito una capa de material en
cuestión (polisilicio o metal, también
se utiliza con el óxido para separar las diferentes
capas, pero dicho proceso es
transparente para el diseñador, la única acción del
diseñador en esta capa son los contactos en
los que no debe haber dicha capa de óxido), y encima de
ella una máscara fotorresistiva, la cual
evitará la pérdida del material que se encuentre bajo
ella. Después de haber eliminado el material
sobrante del circuito, se elimina la máscara dejando el
circuito preparado para una nueva
capa.
Por lo tanto, para cualquiera de los procesos anteriores,
es necesario conocer y verificar
una serie de características geométricas como son el
tamaño del material depositado sobre el
circuito. Dichas características son denominadas reglas
de diseño, y gracias a ellas se asegura
que los dispositivos descritos en el layout estarán en el
circuito físico. Si algunas de estas
reglas son violadas no se asegura la correcta creación
del circuito electrónico.
A modo de ejemplo veamos una porción de un fichero de
reglas de diseño para una tecnología
CMOS estándar de 0.12 μm en la figura 1.5. En él podemos
ver las diferentes capas
con las reglas geométricas correspondientes a cada una de
ellas. Es interesante notar que las
dimensiones están referenciadas a un parámetro, lambda,
para que la portabilidad de dichas
reglas a otras tecnologías sea más sencilla. En dicho
fichero, que lo utiliza la herramienta
Microwind, podemos distinguir tres partes en cada línea:
la referencia de la regla, la dimensión
mínima que se ha de verificar (en términos de lambda) y
un breve comentario sobre dicha
regla. También se suele adjuntar un esquema en el que se
muestran de forma gráfica las diferentes
reglas. En este caso particular únicamente se muestran
las reglas del nwell, áreas activas
o difusiones
y del polisilicio.
