Contenidos: Introducción. Procesos de fabricación. Sala Blanca Litografía

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

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

4. ¿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

5. Procesos tecnológicos de fabricación Imagen sobre la oblea La Tecnología Microelectrónica paso a paso Cómo dibujar a escala microscópica: Litografía óptica 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

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

7. Procesos tecnológicos de fabricación Iones de fósforo Máscara (SiO2) Zona tipo N Substrato ( Si tipo P) La Tecnología Microelectrónica paso a paso 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

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

9. 1) Mass transport of reactants CVD Reactor Gas delivery 8) By-product removal 7) Desorption of byproducts 2) Film precursor reactions By-products Exhaust 3) Diffusion of gas molecules 5) Precursor diffusion into substrate Continuous film 6) Surface reactions 4) Adsorption of precursors Substrate Ejemplo de depósito mediante CVD: Polisilicio SiH4(gas) + H2(gas) +SiH2(gas)  2H2(gas) +PolySilicon (solid)

11. 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.)

14. (cont)

16. 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)

17. 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:

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 Nα donde αnormalmente 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 Eliminación del óxido Oxidación de la oblea Oxidación de la oblea – Vista aumentada

22. SUPREM: Fabricación de un MOSFET

23. 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.

24. 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.