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.