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

“Generaciones” de MOSFETs Tecnología de 65nm Long. Puerta ≈ 42 nm En producción en 2005 Tecnología de 90nm Long. Puerta = 70 nm En producción en 2002 Tecnología de 45 nm Intel Penryn o Nehalem (2007-08) Long. Puerta = 30 nm 30 nm N1H1: virus de la gripe A 80 -120nm de diámetro Long. Puerta = 9 nm Fase de investigación Fabricación de un transistor MOSFET

¿Evolución o revolución? Salas blancas Control estricto de la contaminación. Un pequeño número de partículas contaminantes puede reducir drásticamente el rendimiento del proceso de fabricación. Salas blancas clase 1: En un volumen de 1 m3 hay 35 partículas (máximo) de tamaño mayor que 0,5 µm. Ambiente ordinario: ~ 1.000.000 partículas

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

LITOGRAFÍA ÓPTICA P-Well USG STI Polysilicon Photoresist Gate Mask Depósito de la fotoresina Alineamiento de la máscara Iluminación a través de la máscara P-Well USG STI Polysilicon PR P-Well USG STI Polysilicon P-Well USG STI Polysilicon PR Revelado de la fotoresina Grabado del polisilicio Eliminación de la fotoresina

La Tecnología Microelectrónica paso a paso Procesos tecnológicos de fabricación Silicio tipo P y tipo N: Implantación Iónica y Recocido 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 (SiO2) Iones de fósforo

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

SiH4(gas) + H2(gas) +SiH2(gas)  2H2(gas) + PolySilicon (solid) Ejemplo de depósito mediante CVD: Polisilicio SiH4(gas) + H2(gas) +SiH2(gas)  2H2(gas) + PolySilicon (solid) 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

MODELADO Y SIMULACIÓN DE DISPOSITIVOS Y PROCESOS 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.)

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SIMULACIÓN DE PROCESOS Y DISPOSITIVOS MÉTODOS CONTINUOS: SUPREM Y PISCES 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)

PISCES IIB: Ecuaciones y modelos físicos Ec. de Poisson: Ecs. de Continuidad: Ψ: potencial electrostático n, p: densidades de electrones y huecos ρΦ ρF: 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 Corrientes eléctricas:

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.

Ejemplo de celda de simulación

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 Nα 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.

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

SUPREM: Fabricación de un MOSFET

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

PISCES: SIMULACIÓN ELÉCTRICA DE UN TRANSISTOR MOSFET 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.