tecnologia planar. nanofabricació
DESCRIPTION
Introducció a la nanofabricacióTRANSCRIPT
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
Depenen de la mida, per existeix
un comproms.
NANOFABRICACI
Litografia basada en la nanofabricaci: primer es dibuixa un patr o model i desprs aquest es
transfereix a un substrat. Sagafa un material resistent (resina) i es textura (litografia). Aquesta
resina protegeix una part del substrat de la radiaci que saplica posteriorment i, en eliminar la
resina, sobt el patr dibuixat. Una altra tcnica de nanofabricaci s dipositar un metall sobre
una resina o sobre el substrat, de manera que quan selimina la resina noms queda el metall i
es disposar de dos elctrodes (lift-of).
La part crtica de la nanofabricaci s definir patrons de dimensions tan redudes. Per aix
sempra la tcnica de nanolitografia, entre daltres. Com ms petits sn els patrons o dissenys,
ms temps requereix per sintetitzar-los.
-Resoluci = mnima estructura que es pot definir
-Productivitat = relacionada amb la rapidesa
Fabricaci bottom-up: la nanolitografia t problemes per sota els 20nm, per tant s necessari
partir dobjectes nano directament. Es parteix de nanofils, nanotubs, etc. i es fa creixement.
Tamb es pot dur a terme litografia per auto-ensamblatge amb polmers (suneixen mitjanant
molcules, les quals sagreguen i fan dibuixos per s soles).
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
1- Introducci i evoluci de la tecnologia
Continguts del mdul 1. Tecnologia planar:
Es descriuen individualment els principals processos de la tecnologia planar i es presenten els aspectes generals de la tecnologia micro/nano electrnica, aix com la seva evoluci (miniaturitzaci). ->Introducci a la tecnologia planar: concepte, oblies, seqncia de processos, etc.
Processos tecnolgics individuals: dipsits (PVD i CVD), gravats (secs i humits), processos trmics, implantaci, litografia.
Integraci de processos, tecnologia CMOS.
->Evoluci i lmits de la tecnologia micro/nano electrnica *(-> indica quins apartats corresponen al tema 1)
1. Concepte
Tecnologia planar s la tecnologia de fabricaci de xips micro/nanoelectrnics. Perqu en un curs de Nanofabricaci?
- Per que sovint el xip s el substrat sobre el que es situen els elements nano i/o els elements nano es fan interactuar amb coses micro
- Per que la tecnologia micro/nanoelectrnica permet cada vegada fabricar coses ms petites, ja clarament nano en lactualitat
2. Introducci histrica de les tecnologies pel processament de la informaci
El processament de la informaci ve a ser la capacitat de comptar.
-Inicialment sutilitzaven calculadors mecnics els quals van ser substituts al segle XX per
calculadors electromecnics. Aquests ocupaven un gran espai i la seva capacitat doperaci era
molt baixa.
-Ms endavant es van aconseguir els calculadors electrnics amb una velocitat doperaci molt
ms elevada. El primer va ser lENIAC, compost per tubs de buit. Aquest tenia una vida mitjana
molt baixa i ocupava un gran espai
-Una revoluci en el mn de lelectrnica van ser els transistors (interruptors destat slid) els
quals van permetre el desenvolupament dordinadors electrnics. Aquests ordinadors
inicialment estaven compostos de circuits fets amb plaques amb elements discrets els quals van
acabar evolucionant a circuits integrats, fets a partir delements de Si interconnectats amb
connexions metlliques.
-En parallel a la invenci dels circuits integrats, es va crear el circuit integrat planar (el chip) on
un conjunt delements de Si estan construts sobre una oblea de silici, interconnectats amb tires
metlliques entre ells.
*xip: substrat sobre el qual es situen els elements nano els quals interactuen amb elements
micro.
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
3. Introducci als transistors
Semiconductors (Exemple: Si)
-Intrnsec: sn els semiconductors amb una densitat delectrons i forats iguals (p=n) les quals
sn molt baixes.
Parmetres del Si intrnsec: Eg=1,1 eV, n=p= 1,451010 e-h/cm3 (300K)
Lenergia de T ambient s: kBT=0,026eV (300k).
Degut a la diferncia entre el gap energtic i lenergia trmica que hi ha a 300K, el nombre de
electrons i forats lliures s molt petita en relaci al nombre dtoms. Per altra banda, aquests
electrons lliures ( i el seu forat lliure corresponent) es poden moure a travs del semiconductor
degut a les possibles combinacions entre aquests
(Falta estructura de bandes del Si)
-Extrnsec: sn els semiconductors dopats. Solen presentar una
conducci molt major que els semiconductors intrnsecs (el
nombre de crregues lliures augmenta diversos ordres)
Si dopat (tipus N)
En aquests cas es dopa el semiconductor amb toms amb un electr ms en el seu ltim orbital
respecte el intrnsec. Aix provoca que lE0 es trobi ms a prop de la BC => le- t ms facilitat
per saltar duna banda a laltra (a T0K). Un semiconductor tipus N tindr una densitat n= Nd
(on Nd= densitat de dopatge)
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
Si dopat (tipus P)
En aquests cas es dopa el semiconductor amb toms amb un electr menys en el seu ltim
orbital respecte el intrnsec. Aix provoca que lEA es trobi ms a prop de la BV => Els e- de la BV
tenen ms probabilitat de saltar augmentant aix el nombre de forats (e- sn captats pel B
quedant aix Si+). Un semiconductor tipus P tindr una densitat p= Na (on Na= densitat de
dopatge)
Transistor MOSFET (Transistor defecte camp MOS)
Aquest tipus de transistor permet controlar
la conductivitat (el corrent que passa a
travs del canal) mitjanant un camp
elctric, el qual s generat a partir dun
voltatge aplicat. Estan construts a partir de
silici cristall (part intrnsec, part dopat) +
dielctric (p.ex. SiO2) + metall (conductor i
per interconnector).
Evoluci del transistor MOSFET:
Les mides daquest tipus de transistor han anat reduint-se progressivament al llarg dels anys
(Llei de Moore), el qual ha comportat haver de incorporar nous canvis per tal que funcions
correctament a tan petita escala.
- 45nm Problema: capa dielctrica massa prima (1nm) => permet corrent entre Si i la
porta metllica per efecte tnel. Soluci: nous materials, High-k dielctrics (p.ex. xid
de Hafni)
- 32nm Problema: separaci entre font i drenador tan curta que hi ha corrent entre
aquests sense que sigui controlat per la porta. Soluci: canvi general de lestructura =>
Transistor passa a ser 3D i safegeixen portes addicionals (Tri-gate)
- 14nm s la mida mnima que sha aconseguit fins ara i lestructura utilitzada no ha
variat gaire, senzillament han optimitzat algunes mides.
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
*Interconnexions: sutilitza un metall, Cu o Ag (Generalment Cu ja que s ms econmic).
El fet de reduir la mida dels transistors ens permet que, en un mateix espai, nhi puguem fer
cabre ms, permetent aix la fabricaci de dispositius ms compactes i ms potents, amb ms
memria i ms barats.
La fabricaci de transistors s constant i molt rpida -> Es considera que cada 18-24 mesos el
nombre de transistors/chips s doblat.
Llei de Rock: El cost de lequipament requerit per fabricar semiconductors s doblat cada 4 anys.
Tot i aix els beneficis continuen sent rentables degut a lalta demanda que hi ha.
SRAM (Static Random Access Memory): memria esttica, s un tipus de memria dordinador
primria. Una cella de memria SRAM est formada habitualment per 6 transistors CMOS (6T
memory cells) => les dimensions daquesta tamb tendeixen a reduir-se amb el temps.
4. Com es fa un xip: Processos tecnolgics
Es segueix un procs de fabricaci tal que permet fabricar moltes unitats a lhora. Partint de
bases de Si en forma doblea de 100-300mm de dimetre, en cada una daquestes es fabriquen
centenars o milers de xips, podent tractar simultniament vries oblees (25-200).
Aquest procs de fabricaci consta de 4
operacions bsiques, les quals es van
combinant fins a obtenir lestructura
volguda:
Estratificaci de capes (Layering)
Safegeixen capes primes sobre la superfcie de loblea (allants, semiconductors, conductors).
Per afegir capes es poden seguir diversos processos:
-Creixement de la prpia capa per epitxia (Si ampliat) o per oxidaci amb gasos
(formaci duna capa de SiO2)
-Depositaci per CVD (poli-Si, Si3N4) o per PVD (metalls)
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
Estructuraci de les capes (Patterning)
Eliminaci selectiva de parts especfiques (amb lintenci de donar certa estructura) de la capa
supericial afegida o del substrat.
Aquesta operaci consta de dos passos principals, la fotolitografia i el gravat (sec o humit):
-Fotolitografia: Es posa una capa de resina fotosensible sobre la capa a estructurar i una mscara
amb el patr que es vol gravar (tal que hi ha una part destapada i una part tapada amb metall).
Al illuminar la mostra, la part de resina fotosensible descoberta es veu modificada i es trenquen
alguns enllaos => Al afegir un determinat producte qumic, aquest es menja la part illuminada,
deixant aix una imatge revelada.
-Gravat (Etching): A partir de la imatge revelada, es fa un gravat de la capa superficial o el
substrat (Es pot fer en sec o en humit). Finalment noms quedar eliminar la resina fotosensible.
-
Mdul 1. Tecnologia planar Nanofabricaci
Dopatge
Addici de quantitats especfiques dtoms dopants a la superficie de loblea. Es pot dur a terme
per Difussi trmica (davant un T => toms en superfcie difonen cap a linterior) o per
Implantaci de ions (el substrat s bombardejat amb ions accelerats a altes velocitats).
Tractaments trmics
Loblea s escalfada per tal daconseguir resultats especfics:
-Difusi de dopants
-Reparaci de defectes
-Posici substitucional dels dopants (activaci elctrica)
-Escalfament de metall amb un posterior refredament lent, amb lobjectiu deliminar les
tensions internes i endurir.