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Contenidos: Introducción. Procesos de fabricación. Sala Blanca Litografía Implantación y recocido Depósito de capas - CVD Modelado de procesos y dispositivos.

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1 Contenidos: Introducción. Procesos de fabricación. Sala Blanca Litografía Implantación y recocido Depósito de capas - CVD Modelado de procesos y dispositivos. Suprem: Fabricación de un Mosfet Pisces II: Características de un MOSFET

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3 Generaciones de MOSFETs Tecnología de 90nm Long. Puerta = 70 nm En producción en 2002 Long. Puerta = 9 nm Fase de investigación Tecnología de 45 nm Intel Penryn o Nehalem ( ) Long. Puerta = 30 nm 30 nm Tecnología de 65nm Long. Puerta 42 nm En producción en 2005 N1H1: virus de la gripe A nm de diámetro Fabricación de un transistor MOSFET

4 Control estricto de la contaminación. Un pequeño número de partículas contaminantes puede reducir drásticamente el rendimiento del proceso de fabricación. Salas blancas Salas blancas clase 1: En un volumen de 1 m 3 hay 35 partículas (máximo) de tamaño mayor que 0,5 µm. Ambiente ordinario: ~ partículas ¿Evolución o revolución?

5 Cómo dibujar a escala microscópica: Litografía óptica Procesos tecnológicos de fabricación Iluminación: luz ultravioleta profunda (DUV) Longitud de onda = 248 nm, 193 nm, 154 nm.... Fuente de luz Máscara con el patrón del circuito Lente 5:1 Imagen sobre la oblea Efectos de difracción: longitud de onda comparable a las dimensiones de los dispositivos La Tecnología Microelectrónica paso a paso

6 P-Well USG STI Polysilicon Photoresist P-Well USG STI Polysilicon Photoresist Gate Mask P-Well USG STI Polysilicon Photoresist P-Well USG STI Polysilicon PR P-Well USG STI Polysilicon PR P-Well USG STI Polysilicon Depósito de la fotoresina LITOGRAFÍA ÓPTICA Alineamiento de la máscaraIluminación a través de la máscara Revelado de la fotoresinaGrabado del polisilicioEliminación de la fotoresina

7 Silicio tipo P y tipo N: Implantación Iónica y Recocido Procesos tecnológicos de fabricación Implantación iónica: Bombardeo con iones energéticos A mayor energía, mayor profundidad Formación de regiones P y N localizadas mediante máscaras Recocido para restaurar el orden cristalino y activar eléctricamente los dopantes Substrato ( Si tipo P) Zona tipo N Máscara (SiO 2 ) Iones de fósforo La Tecnología Microelectrónica paso a paso

8 Capas aislantes y conductoras: Procesos tecnológicos de fabricación Oxidación Depósito Óxido de puerta Óxido de aislamiento Puerta de polisilicio Capas de óxido o nitruro para proteger el circuito Metalización multinivel La Tecnología Microelectrónica paso a paso Aislante 1 Aislante 2 Aislante 3 Capa de pasivación Metal 1 Metal 2 Metal3 Dispositivos en la oblea

9 CVD Reactor Substrate Continuous film 8)By-product removal 1) Mass transport of reactants By-products 2) Film precursor reactions 3) Diffusion of gas molecules 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate 6) Surface reactions 7) Desorption of byproducts Exhaust Gas delivery SiH 4 (gas) + H 2 (gas) +SiH 2 (gas) 2H 2 (gas) + PolySilicon (solid) Ejemplo de depósito mediante CVD: Polisilicio

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11 El modelado y la simulación es uno de los factores clave que reducen el tiempo de desarrollo de los prototipos y el coste de los mismos: con respecto a 2005, la reducción de coste en 2007 ha sido de un 40% (cuando la simulación se ha usado de forma eficiente). El arte del modelado: Combina experimentos específicos y teoría para revelar los mecanismos físicos y extraer parámetros Debe encontrar el compromiso entre simulación física detallada (costosa en términos de CPU y memoria) y mecanismos físico suficientemente simples. Son esenciales los métodos de caracterización experimentales para comprobar los resultados. Para el tratamiento de las nanoestructuras cada vez es más importante la simulación multinivel (ab-initio, atomística, métodos continuos, etc.) MODELADO Y SIMULACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROCESOS

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16 El Programa Suprem-IV.GS es un simulador que emula los procesos de fabricación de dispositivos microelectrónicos, tales como –difusión térmica: Ley de Fick –implantación iónica: Distribuciones gaussianas, Pearson IV, etc –oxidación térmica: Modelo de Deal y Grove –grabado: geométrico –etc… Pisces II calcula las distribuciones de portadores de corriente bajo distintos estímulos y las características eléctricas de los dispositivos. Ambos programas han sido desarrollados en la Universidad de Stanford (California) SIMULACIÓN DE PROCESOS Y DISPOSITIVOS MÉTODOS CONTINUOS: SUPREM Y PISCES

17 Ψ: potencial electrostático n, p : densidades de electrones y huecos ρΦ ρ F : densidad de carga fija en materiales aislantes J: densidades de corriente U: recombinación de electrones y huecos Φ: Cuasi-niveles de Fermi E: Campo eléctrico PISCES IIB: Ecuaciones y modelos físicos Ec. de Poisson: Ecs. de Continuidad: Corrientes eléctricas:

18 PISCES II discretiza la ecuación de Poisson y las ecuaciones de continuidad de electrones y huecos, dando lugar a un conjunto de ecuaciones algebraicas acopladas y no lineales. Las soluciones deben obtenerse mediante un método de iteración no lineal partiendo de algún valor inicial. Para resolver estas ecuaciones en un ordenador, deben ser discretizadas en una malla de simulación: las funciones continuas se representan por valores de la función en los nodos de la malla los operadores diferenciales son sustituidos por operadores aritméticos. Así, en vez de trabajar con 3 funciones desconocidas, PISCES IIB trabaja con 3N números reales desconocidos, donde N es el número de nodos de la malla. Desde el punto de vista del usuario la discretización es completamente automática y no es necesaria intervención alguna.

19 Ejemplo de celda de simulación

20 En la simulación de dispositivos es muy importante definir correctamente la malla. El número de nodos de la malla (N) tiene una influencia directa en el tiempo de simulación. El número de operaciones aritméticas necesarias para alcanzar una solución es proporcional a N α donde α normalmente varía entre 1,5 y 2. Debido a que las diferentes partes de un dispositivo tienen un comportamiento eléctrico muy distinto, normalmente es necesario definir una malla fina en algunas regiones y una malla menos densa en otras. Tanto como se pueda es deseable que las regiones con una malla muy fina no se extiendan a regiones donde es innecesario, con el fin de mantener el tiempo de simulación dentro de unos límites razonables.

21 SUPREM Depósito de óxido + Grabado + Implantación de Fósforo Oxidación de la oblea Oxidación de la oblea – Vista aumentada Eliminación del óxido

22 SUPREM: Fabricación de un MOSFET

23 Distribución de dopado del transistor nMOS. Distribución de potencial para una polarización de 3 V en drenador y 2 V en puerta. Distribución del campo eléctrico (en V/cm) en el transistor. PISCES: SIMULACIÓN ELÉCTRICA DE UN TRANSISTOR MOSFET

24 Distribución de corriente (en A/cm) que atraviesa el transistor. Características Ids-Vds para potenciales de puerta de 0,5/1/1,25/ 1,5/1,75/2 V. PISCES: SIMULACIÓN ELÉCTRICA DE UN TRANSISTOR MOSFET


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