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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:
➢
➢
●
Disminución de consumo:
➢
➢
●
Dispositivos cada vez más chicos.
Mas features (Celular+camara+GPS+…).
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
0
1
Y
Inversor CMOS
A
Y
0
1
0
Inversor CMOS
A
Y
0
1
1
0
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.
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...
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Fin-Fets o transistores de 3 puertas
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fabricado, caracterizado en UCU (2005)
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