Micro/Nano-Electrónica: Pasado, Presente y Futuro Msc. Ing. Matias Miguez Departamento de Ingeniería Eléctrica / Departamento de Ciencias Naturales Universidad Católica del Uruguay http://die.ucu.edu.uy/microdie/index.html

¿Que es la microelectrónica? La microelectrónica es la aplicación de la ciencia electrónica a componentes y circuitos de dimensiones muy pequeñas, microscópicas y hasta de nivel molecular para producir dispositivos y equipos electrónicos de dimensiones reducidas pero altamente funcionales. Es el diseño y la fabricación de circuitos integrados (Chips).

¿Que es la microelectrónica? Circuito integrado: Circuito con pocos o varios millones de transistores, integrados en una única pieza de silicio.

¿En que se utiliza la microelectrónica?

¿En que se utiliza la microelectrónica?

Porque se usa la microelectrónica? Gran reducción de tamaño: Dispositivos cada vez más chicos. Mas features (Celular+camara+GPS+…). Disminución de consumo: Las baterías duran más tiempo. Dispositivos implantables. Costos bajos para la producción en masa: Precios de un par de dólares a incluso centavos por chips.

Porque se usa la microelectrónica? 50.000.000 Transistores

El transistor El transistor es un elemento de tres terminales, cuyas relaciones V vs I no es lineal! Esto permite que se pueda usar como llave.

Física del Transistor El material principal del transistor es el silicio, un semiconductor (conduce muy poco la corriente eléctrica). Pero si le agrego impurezas como el boro o el arsénico, puedo hacer que tenga cargas libres y conduzca mejor. Las cargas pueden ser positivas(p) o negativas(n).

Física del Transistor El transistor se llama MOS por sus siglas de Metal - Óxido - Semiconductor. Esta interfaz tiene tres formas de funcionamiento a medida que se aumenta su diferencia de potencial

Física del Transistor

Física del Transistor

Física del Transistor

Física del Transistor Si no hay canal, no pasa corriente

Física del Transistor Si se forma el canal, la corriente comienza a crecer.

Física del Transistor Es claramente no lineal!

Transistores como llaves Los transistores son llaves controladas por voltaje El voltaje del Gate controla el flujo entre el Drain y el Source

Inversor CMOS A Y 1

Inversor CMOS A Y 1

Inversor CMOS A Y 1

Lógica CMOS Combinando los transistores (llaves) de distintas maneras, podemos hacer compuertas lógicas. AND, OR, etc. De esta manera construir sistemas lógicos complejos.

Lógica CMOS Pero si quiero hacer procesadores, necesito muchos transistores, y muchos cables para conectarlos. En 1947, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain crean el primer transistor. (Nobel)

Primer Circuito Integrado Kilby, trabajando para Texas instruments crea en 1958, el primer circuito integrado. Menos de 10 elementos. Transistores, resistencias y capacitores.

2424 Como se fabrica CMOS Se fabrican sobre una oblea de silicio super puro (99.9999999%) Se utiliza litografía, como si fuera una impresora de diarios Se requieren muchos pasos diferentes La manera más fácil de entenderlo es ver un ejemplo simplificado, bien desde arriba y su corte.

Corte de un inversor Tipicamente se usa substrato dopado levemente positivo Se requiere una capa de dopado n (nwell)

Contacto a pozo Como el silicio levemente dopado es hace mal contacto con el metal, se requieren zonas de contacto.

Máscaras para un inversor Vista desde arriba El corte es por la línea punteada

Máscaras para un inversor Seis mascaras n-well Polysilicon n+ diffusion p+ diffusion Contact Metal

Implementar el pozo N Comienzo con una oblea de silicio dopada p

Implementar el pozo N Crecer SiO2 sobre el Si 900 – 1200 C con H2O o O2 en horno de oxidación

Implementar el pozo N Depositar un material photo resistente Es un polímero orgánico Se suaviza al ser expuesto a la luz

Implementar el pozo N Utilizar la máscara, e iluminar Remover el material que fue expuesto

Implementar el pozo N Utilizar Ácido fluorhídrico para remover el óxido (HF) El material fotoresistente debe poder resistirlo

Implementar el pozo N Retirar lo que sobra del polímero Es necesario porque sino se derrite en los próximos pasos

Implementar el pozo N Finalmente hacer el pozo N. Hay dos opciones: Difusión Atmósfera de arsénico, y calentar hasta que difunda No se difunde donde hay óxido Implantación iónica Bombardear con iones de arsénico. Los iones son frenados por el óxido.

Implementar el pozo N Sacar el óxido que quedaba usando HF Recién hicimos el primer paso!!! Cada uno de los siguientes pasos es similar

Implementar el polisilicio Depositar una capa muy fina de óxido < 20 Å (6-7 capas de atomos) Depositar silicio muy dopado y que forme muchos cristales.

Implementar el polisilicio Litografia para el polisilicio.

Implementar las difusiones n Agregar material fotoresistente

Implementar las difusiones n Litografia

Implementar las difusiones n Limpiar nuevamente

Implementar las difusiones p Reperir los mismos pasos.

Agregar contactos Cubro todo con oxido Menos las partes donde quiero tener contacto (litografía)

Metalizacion Cubrir todo de metal (aluminio, cobre) Remover usando la mascara

Fabricacion Luego agregar mas metales (4, 8 o mas) Son procesos lentos y cuidadosos (6 a 8 semanas por ejemplo) Desarrollados y mantenidos por cientos de personas

Fabricacion

Primer Circuito Integrado Kilby, trabajando para Texas instruments crea en 1958, el primer circuito integrado. Menos de 10 elementos. Transistores, resistencias y capacitores.

La “Ley de Moore” En 1965, Gordon Moore publica el artículo “Cramming more components onto integrated circuits” que definiría el futuro de la microelectrónica. Sugiere que el número de elementos por circuito integrado se duplica anualmente. En 1965, hay unos 50 elementos por C.I. y predice que en 1975 deberian haber 65000!

La ley de Moore Lo que se sugiere como una predicción, comienza a cumplirse, y aparecen nuevas leyes similares: Moore I (1965): se duplica número de transistores anualmente Moore II (1975): se van a duplicar cada dos años. David House (1975): las computadoras duplicarán su eficiencia cada 18 meses. Rock’s Law: El costo de una fábrica de MOS se duplica cada 4 años.

La ley de Moore

La ley de Moore Esta ley se transforma en una profecía que se auto cumple, cuando es tomada como el desafío a cumplir por miles de ingenieros, quimicos, fisicos, etc. Se creo el “International Technology Roadmap for Semiconductors” y se determina 15 años antes, que problemas hay que solucionar para poder seguir manteniendo esta ley. Una manera de codificar esto es hablar del tamaño mínimo de un transistor.

La ley de Moore El tamaño mínimo de un transistor, ha también decrecido en forma exponencial. Se redujo 1000 veces en menos de 50 años! 10nm implica 20 atomos de silicio! Ancho del óxido, menor a 5 átomos No se mantiene la misma física! Año T. mínimo 1971 10 µm 1974 6 µm 1977 3 µm 1982 1.5 µm 1985 1 µm 1989 800 nm 1994 600 nm 1995 350 nm 1997 250 nm 1999 180 nm 2001 130 nm 2004 90 nm 2006 65 nm 2008 45 nm 2010 32 nm 2012 22 nm 2014 14 nm 2017 10 nm 2019? 7 nm 2021? 5 nm

La ley de Moore Para aumentar el número de transistores se reduce el tamaño. Pero no es tan facil. Si uso luz visible para litografía, λ=550nm, paso a UV Pero tengo que cambiar todos los materiales! Para más chico, uso de técnicas avanzadas de imágenes para obtener dimensiones más chicas (multi-máscaras) Pero debe reducirse todos los tamaños. Incluso el ancho de óxido, que ya es muy chico. Tamaño menor que un átomo no se puede.

La ley de Moore

La ley de Moore Pero lo importante es mejorar las características: Se cambia el óxido por un dieléctrico más fuerte (HIGH k) Se “tensa” el silicio para que su largo efectivo sea menor Se cambia el metal para reducir resistencias

More than Moore Siguiendo el camino tradicional no se puede mantener la Ley de Moore. Hay que hacer algo más...

More than Moore Fin-Fets o transistores de 3 puertas

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More than Moore Transistores de un solo electrón - Quantum Dots

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Amplificador de señales nerviosas (ENG) Primer circuito integrado diseñado, fabricado, caracterizado en UCU (2005) Amplificador de señales nerviosas (ENG)

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