Circuitos integrados

Circuitos integrados
Nerio Ramirez
( Publicado en Revista Creces, Junio 2001 )
Hemos recorrido un largo camino desde los días de los tubos de vacío. Desde que se construyo el primer microprocesador en 1971, ha sido posible construir computadores más y más pequeños, permitiendo una gran variedad de inventos. Pero ¿Cómo se construyen los circuitos integrados en chips tan diminutos y que nos espera en el futuro?
Cuando se conectó el primer computador electrónico del mundo en la Universidad de Pennsylvania, Filadelfia, en Febrero de 1946, el equipo ocupaba toda una sala y requería más de 18.000 tubos de vacío para funcionar. Los tubos de vacío fueron vitales ya que ellos actuaron como interruptores electrónicos para realizar los cálculos. El grupo que operó el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) se desanimó al comprobar que los tubos se quemaban pues generaban temperaturas de hasta 200ºC. Los tubos de vacío eran reemplazados tan frecuentemente que parecía que su falibilidad estaba destinada a sofocar la edad del computador antes de comenzar. Sin embargo, la ayuda llegó.

Un par de años más tarde, en 1948,William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain en los mundialmente famosos Laboratorios Bell en New Jersey inventaron el transistor. A diferencia de los tubos de vacío que eran frágiles y costosos, los transistores resultaron fáciles de hacer, pequeños, robustos y sobre todo baratos. En unos pocos años los transistores revolucionaron la forma de construir equipos electrónicos. Los equipos de radio, de televisión, de navegación, audífonos y equipos médicos fueron más baratos, más fáciles de construir y más avanzados como consecuencia de este invento. Tal fue la influencia del transistor que en 1956, Shockley y sus colegas fueron galardonados con el premio Nobel de física. Pero el mayor impacto del transistor estaba aún por llegar.

Al principio, los investigadores hacían transistores uno a la vez, soldándolos en tarjetas de circuito junto con los otros componentes requeridos. Pero mientras un transistor era altamente durable, los delgados cables que los conectaban a la tarjeta del circuito eran frágiles y propensos a dañarse. Así, en 1950, Robert Noyce en Fairchild Semiconductor, una compañía establecida en los alrededores de San José, California (área que sería llamada más tarde Silicon Valley), y Jack Kilby en Texas Instruments en Dallas diseñaron y construyeron el primer circuito en el cual todos los componentes fueron integrados en diferentes capas en un trozo de silicio. Estos circuitos integrados fueron baratos, fáciles de construir y más seguros que cualquier otra cosa existente hasta entonces. En el año 1960, muchas de las investigaciones y los desarrollos de circuitos integrados fueron conducidos por el programa espacial Apolo. En 1970 estos circuitos contenían más de 30.000 componentes en una sola placa de silicio, el "chip".

En 1971, la compañía manufacturera americana de chips Intel, dio otro gran paso. Los ingenieros de Intel pusieron todos los componentes de un computador -la unidad central de procesos, la memoria, los registros de almacenamiento de datos, las unidades de control de entrada y salida- en un minúsculo chip para crear el primer computador en un chip o microprocesador. Intel fue realmente notable comparado con el ENIAC, su dispositivo fue 30.000 veces más barato, consumía una milésima de potencia y podía ser colocado en la punta de un dedo. Fue 200 veces más rápido y tenía encapsulado 2300 transistores. Desde entonces, el número de transistores que podía ser comprimido en un chip fue duplicándose cada 18 meses, fenómeno que es conocido como la Ley de Moore, llamada después Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel. El estado del arte de los chips permite almacenar 30 millones o más transistores y es un indicador de que la ley de Moore puede romperse en un tiempo próximo.

Los microprocesadores han tenido un profundo impacto en la sociedad humana. La construcción compacta de computadores ha hecho posible un amplio rango de dispositivos, tales como los computadores personales, calculadoras de bolsillo, relojes digitales y juegos de video. Los microchips son tan baratos que muchas fábricas los usan para el control de todo equipo electrónico desde autos y aeronaves hasta máquinas lavadoras y tostadoras.

La idea clave dentro de los circuitos integrados es que los componentes electrónicos tales como los transistores y condensadores se pueden fabricar conectando capas de materiales con diferentes propiedades electrónicas. Los ingenieros comprendieron que en vez de fabricar los componentes individualmente y unirlos para construir un circuito, el circuito entero podía ser pensado como un conjunto de capas colocadas una encima de otra, razón por la cual usaron la tecnología "complementary metal oxide semiconductor" o "tecnología CMOS para construir los chips".

La base del circuito integrado es silicio ultra puro, una dura sustancia cristalina con una estructura atómica similar al carbón del diamante. El silicio posee cuatro electrones en su órbita más externa, que usa para unir cuatro átomos de silicio más cercanos. Debido a estos enlaces, no existen electrones disponibles para conducir electricidad y así el silicio es pobre conductor a temperatura ambiente.

Las propiedades eléctricas se pueden cambiar, sin embargo, sumando otros átomos a su estructura un proceso conocido como doping o dopamiento. El fósforo, el antimonio y el arsénico, por ejemplo, tienen cinco electrones en su órbita externa. Cuando ellos son adicionados como "dopantes" a la matriz de silicio, cuatro de esos electrones se usan para conectarse con átomos de silicio de los alrededores dejando un electrón libre para vagar a través del material. El colocar un voltaje en el material produce que se muevan los electrones, creando una corriente eléctrica. Este tipo de material es conocido como un semiconductor tipo n, debido a que las cargas que se mueven, los electrones, son negativas.

Sin embargo, se puede también sumar átomos con sólo tres electrones en la órbita más externa tales como el boro, indio y el galio. En este caso, los átomos sólo pueden unirse con tres átomos vecinos. Esto deja una vacante de un electrón, conocida como hole u hoyo, el cual puede moverse a través del material de átomo a átomo. Un hueco se parece mucho a una carga positiva, que fluye en dirección contraria a los electrones cuando se aplica un voltaje al material. El Silicio dopado con estos elementos se conoce como semiconductor tipo p, debido a que las cargas se mueven como si fueran positivas.


Una revolución en el dopamiento

Ausencia de electrones

Lo interesante de todo esto comienza cuando materiales tipo-p y tipo-n se colocan cara a cara formando una juntura pn. En un lado de la juntura predominan cargas tipo-p o tipo-n pero en la juntura misma, los electrones y los huecos se combinan, formando un área sin cargas libres. Esto es conocido como capa de reducción y puede actuar como un aislante entre dos materiales. Este tipo de material posee la muy útil propiedad de permitir que circule corriente en una dirección y en la otra no. Si se coloca un voltaje a través de la juntura tal que el lado p es negativo respecto al lado n, el campo eléctrico resultante empuja a los electrones y huecos hacia fuera de la juntura pn. Esto hace que la capa de reducción sea más grande de manera que la corriente no puede circular. Al invertir el voltaje los electrones y huecos son atraídos hacia la juntura produciendo el flujo de corriente. Este dispositivo electrónico es conocido como rectificador o diodo. Como los transistores, condensadores y resistores, los diodos son un bloque constituyente de un circuito integrado.

El más importante bloque es el transistor. Un típico transistor esencialmente consiste de dos regiones de semiconductores tipo n conocidos como fuente (source) y el drenaje (drain) separados por una región tipo p conocida como compuerta (gate). Las tres partes de este transistor tienen conectados electrodos. A primera vista, este arreglo se parece al equivalente electrónico de una represa. Si se aplica un voltaje tal que la fuente sea negativa y el drenaje sea positivo los electrones son capaces de fluir fácilmente a través de la juntura entre los materiales tipo-p y tipo-n. Pero la capa de reducción en la otra juntura pn crece y no circula la corriente. Sin embargo, si usted aplica un voltaje a la compuerta tal que sea positiva respecto del drenaje todo cambia. Esta polarización extra concentra electrones en el material tipo-p en la región cercana a la compuerta permitiendo que circule la corriente a través de él. Así es como el transistor trabaja como un interruptor: aplica un voltaje a la compuerta y circula la corriente, remueve el voltaje de la compuerta y la corriente se corta. Este tipo de dispositivo es conocido como "metal oxide semiconductor field-effect" o transistor MOSFET.

Debido a que no existen partes móviles o componentes delicados el transistor es extremadamente robusto y seguro. Esto es importante. Los modernos chips contienen millones de transistores y si un pequeño porcentaje no trabaja, el chip puede quedar inutilizado. Los transistores no usan mucha potencia y generan poco calor, de manera que ellos pueden ser empaquetados en un área muy pequeña. El tamaño del transistor está determinado por la distancia entre la fuente y el drenaje, que es conocida como tamaño típico. Hoy día es posible construir transistores con tamaño típico tan pequeños como 0.18 micrómetros, un ciento de veces más delgado que un cabello humano, y ellos serán más pequeños en el futuro.

Los circuitos integrados se beneficiaron enormemente con la reducción del tamaño de los componentes que contienen. La velocidad a la cual un transistor puede conmutar, o cambiar del estado de conducción al estado de corte, está determinada por la distancia en que fluye la corriente de un lado al otro. Mientras más pequeños son los transistores más rápidamente trabajan. El empaquetamiento de más transistores en un área más pequeña significa que los componentes alámbricos son más cortos y ello aumenta la velocidad de operación del chip. El primer microprocesador realizó 60.000 instrucciones por segundo. Los más modernos pueden ejecutar un billón.

¿Cómo se construyen los circuitos integrados? El proceso de construcción comienza con un único gran cristal de silicio, con forma de salchicha cortada en rodajas, de alrededor de 20 centímetros de espesor. Se hacen diferentes chips de cada rodaja y se separan al final del proceso de fabricación. Primero cada rodaja es pulida para dar un acabado casi perfecto y luego es cocida en una atmósfera rica en oxígeno de manera que crece una delgada capa de óxido de silicio, un vidrio aislante, en la superficie.

Cada capa se hace cubriendo la rodaja con una delgada película de material sensible a la luz conocido como fotoresistor. Un fotoresistor tiene la especial propiedad de que la luz cambia su estructura química, permitiéndole reaccionar con otro producto químico y puede ser removido lavándolo. La luz es irradiada sobre el fotoresistor a través de una plantilla o máscara según sea la forma requerida y las regiones expuestas son removidas a través del lavado. Esto deja al material inferior en el patrón requerido, listo para el siguiente paso. Este proceso es conocido como litografía modelada (patterned lithography).


Pueden llegar a ser aun más pequeños

Difícil tarea para los fabricantes

Reducir el tamaño de las figuras que se pueden definir por el método litográfico es uno de los mayores desafíos que enfrentan los fabricantes de chips, ya que mientras los transistores sean empaquetados más densamente resultan más rápidos y los chips son más poderosos. El factor limitante en el tamaño de la figura es la longitud de onda de la luz proyectada a través de la plantilla al fotoresistor. Mientras más pequeña es la longitud de onda más pequeña es la figura que se puede definir. Los fabricantes de chips han logrado usar luz ultravioleta para definir figuras de hasta 130 nanómetros de espesor. Pero para reducir aún más la longitud de onda es necesario moverse a los rayos X, que son difíciles de producir y manejar. Además, los rayos X atraviesan los materiales sin afectarlos, haciendo la fabricación de plantillas demasiado difícil. Alternativas a los rayos X incluye la litografía de emisión de electrones y de iones, en la cual la longitud de onda asociada con electrones y con iones se usa para definir las figuras.

Después que el fotoresistor expuesto a la luz se ha removido, el material inferior revelado puede ser tratado de una de las tres formas siguientes: por dopamiento, deposición o corrosión. Dopamiento es el proceso en el cual los átomos de fósforo o boro se adhieren a la estructura del silicio creando ya sea un semiconductor tipo-p o un semiconductor tipo-n. A estos átomos se les quita electrones para crear iones y luego acelerarlos hacia la superficie del chip a alta velocidad. Estos chips se calientan y se les permite enfriar lentamente para evitar daños causados por su bombardeo y permitir a los recién llegados difundirse en la estructura. Esta difusión puede ser un problema mayor para los fabricantes si ocurre posteriormente, cuando el chip está siendo usado en un computador, es decir, si los átomos se secan demasiado rápido se pueden conectar con otras regiones de chips, cambiando las propiedades del semiconductor y causando un mal funcionamiento. Con el fotoresistor ubicado en su lugar, los átomos dopantes se adhieren a la parte irradiada del chip. El fotoresistor puede ser entonces removido completamente a través del lavado.

Deposición es el proceso de crear una delgada película en el chip. Una de las maneras más comunes de hacer esto es el denominado chisporroteo (sputtering), un proceso en el cual el material a ser depositado es bombardeado por un chorro de iones que causa que los átomos y moléculas floten en su superficie. A estos átomos y moléculas se les permite depositarse sobre el chip. Con el patrón fotoresistor en su lugar constituyen una delgada capa con la forma requerida. El chisporroteo es usado para poner capas de materiales aisladores tales como el dióxido de silicio, o capas de materiales conductores de metal como el aluminio o el cobre.

Corrosión es una manera de remover selectivamente materiales de la superficie para descubrir lo que está debajo. La corrosión es usualmente tratada por exposición de la rodaja a un gas altamente ionizado conocido como plasma. El plasma reacciona con la superficie y físicamente saca los átomos como un arenador dejando la capa de abajo expuesta en la forma deseada.

Cuando se completa uno de estos procesos, el resto del fotoresistor es removido y se prepara la próxima capa. Es común para los modernos chips requerir hasta 30 capas y hasta 600 pasos de fabricación. Aunque esto suena como demasiado, es pequeño comparado a los millones de componentes que se ha logrado montar en un chip.

Finalmente, la rodaja es cubierta en un revestimiento protector de dióxido de silicio y nitruro de silicio, antes de que se pruebe cada chip para asegurarse que trabaja bien. La rodaja es entonces cortada en chips separados. Los defectuosos son apartados y los chips buenos son colocados en encapsulados plásticos.

El encapsulado es una parte importante del proceso. El encapsulado debe proveer las uniones de conectores externos a alambres extremadamente finos que conectan los contactos de entrada y de salida de varios chips. El encapsulado permite al chip ser conectado fácilmente en una tarjeta de circuitos conocida como tarjeta madre (motherboard), la cual conecta al chip con el resto del computador y provee protección de los contaminantes externos y golpes del uso diario.

La complejidad de los chips significa que diseñarlos es una tarea enorme. Desde que se inició el desarrollo de los chips, el proceso ha ido cambiando desde aquel que se realizaba enteramente en forma manual hasta el que se hace ahora sustancialmente automático. En efecto, los circuitos son ahora tan complejos que es muy difícil hacerlos manualmente. Se ha desarrollado un poderoso software computacional industrial que provee un sistema de diseño por computador para la fabricación de chips.

El proceso de diseño está por sí mismo dividido en un número de niveles que permite al diseñador ver a los chips de diferentes maneras. Por ejemplo, un diseñador puede especificar el propósito de las diferentes partes del circuito, qué data será de entrada y cuál será de salida y cómo las diferentes partes del circuito enfrentan el problema a resolver. Este nivel es conocido como diseño funcional. El diseño lógico determina los pasos matemáticos necesarios para implementar el diseño funcional y los componentes necesarios para realizarlos.