nanoelectronica

NANOELECTRONICA
a escala molecular
y tecnologías picométricas en su realización
______________________________________________________________
Cuerpo de Presentación
como minicurso en la
Escuela Andina de Física (ESAFI 2004)
Lima, El Perú, Agosto 2004
Alfred F. K. Zehe
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ciencias de la Electrónica
72000 Puebla, México
INDICE
Cap 1
El desenvolvimiento de la microelectrónica, sus límites naturales y
la extensión de la Ley de MOORE a una nanoelectrónica a escala
molecular (Moletrónica)
Cap 2
En las nanociencias predomina la mecanica cuántica: Unos aspectos
fundamentales a recordar
Cap 3
Atomos y moléculas: Elementos básicos en la realización de
estructuras electrónicas
Cap 4
Tecnologías nano- y picométricas para la fabricación de estructuras
geométricas y dispositivos nanoeletrónicos
Cap 5
Nanodispositivos electrónicos a escala molecular: “Caja de
herramientas” para la moletrónica
Cap 6
Ejemplos para proyectos y problemas de investigación en las
nanociencias y la moletrónica
Anexos
Durante 1936 a 1938 el ingeniero alemán Konrad ZUSE desarrolló y construyó la
primera computadora binaria digital en el mundo (Z1). Dió inicio a un enorme
desarrollo, que con ENIAC desde 1946 encontró en EEUU su seguidora. Con los
avances de la investigación de semiconductores a finales de los años 50, y el
aprovechamiento comercial de las computadoras empezó un proceso de
miniaturización para las siguientes generaciones de computadoras. Al inicio de los
años 60 nació el primer circuito integrado (KILBY, NOYCE) como adelanto para
la tercera generación de computadoras. Intel desarrolló en 1971 el primer
microprocesador, y apenas siete años mas tarde aparecieron computadoras de la
cuarta generación en base a las tecnologías VLSI con mas que 100,000 dispositivos
en un solo chip. 'Supercomputer' de aquel tiempo fueron sustituidas por pequeños
PC´s con mayor poder. Una siempre mas alta integración y perfección ha llevado al
nivel, que hoy día resulta en una casi milagrosa extención de las computadoras en
especial, y de equipo electrónico de informática en general a todos los rincones de
la vida humana.
La microelectrónica actual se confronta a violentos cambios. En cierta analogía a la
integración de transistores discretos de silicio en un chip hace cuatro décadas, se
está forzado ahora a considerar la realización de los mismos principios de
operación electrónicos en estructuras a escala molecular. Vivimos la transición de
la microelectrónica convencional a una electrónica molecular más poderosa aún. La
permanente miniaturización de elementos constructivos microelectrónicos sobre
un substrato tiene, además de su relevancia para la obtención de una inteligencia
artificial en circuitos integrados de memoria, un ulterior efecto de gran importancia
para la física: los elementos constructivos aislados contienen solo pocos electrones
para garantizar su función. Los principios convencionales de operación para tales
microestructuras se habrían vuelto por tanto - por razones físicas - inutilizables
desde hace tiempo, y la tendencia preconizada para la muy alta integración pasa por
el apilamiento tridimensional de microelementos constructivos en los que son
posibles mayores densidades de relleno a pesar de mayores anchuras de unión,
hasta finalmente llegar a sistemas moleculares.
1. La microelectrónica convencional
Desde la invención del transistor en 1926 por el físico alemán Julius LILIENFELD,
y la realización práctica de un transistor bipolar veinte años mas tarde por
SHOCKLEY, BARDEEN y BRATTAIN, un enorme esfuerzo por parte de
investigadores e ingenieros llevó a la realización del circuito integrado (IC), que en
1967 había llegado a una densidad de apenas 190 transistores por mm2. En
comparación, los microprocesadores actuales contienen arriba de 100 millones de
transistores en el mismo área, - tendencia creciente. Esta tendencia, conocida como
Ley de MOORE, predice un redoble del número de transistores integrados en un IC
de silicio cada dos años. Sigue aproximadamente válida hasta el presente. No
obstante, existen limitaciones naturales, hasta donde la miniaturización
convencional puede llegar.
1.1 Desenvolvimiento de la microelectrónica
En la medida que se aumentó el área de las obleas de silicio, se logró además un
aumento considerable de la eficiencia de colocación (packing efficiency) de los
dispositivos, tanto como una reducción impresionante de las dimensiones laterales.
Se habla de una integración a pequeña escala (small-scale integration, SSI)
teniendo menos de 100 componentes en un chip (1960); de una integración a
mediana escala (médium-scale integration, MSI), con hasta 1,000 componentes por
chip (1966); de una integración a escala grande (large-scale integration, LSI), con
1000 a 10,000 componentes por chip (1969); de una integración a escala muy alta
(very large-scale integration, VLSI) con 10,000 a 100,000 componentes; y de ULSI
(U-ultra) arriba de 100,000 componentes.
Estas tendencias se aproximan exitosamente por funciones exponenciales. El ancho
de línea (feature size) Θ, por ejemplo, sigue una dependencia
Θ = 2 [µm]⋅exp[− 0.135(t − 1980)]
(1.1)
donde t representa el año calendario después de 1980. Si no consideramos límites
de algún índole (ver el siguiente capítulo), se tienen dimensiones laterales mínimas
abajo de 90 nanómetros despues año 2002. Esto se compara por ejemplo con la
longitud de onda de la luz verde de λ = 535 nm.
Aún más notable para la microelectrónica clásica resultan tendencias para el ancho
de línea cuando no se considera un crecimiento del tamaño de la oblea ni tampoco
de la eficiencia de colocación:
Θ = 0.53 [µm]⋅exp [ − 0.23 (t − 1990)]
1.2)
o basando la función en el año 1985,
Θ = 1.02 [µm]⋅exp [ − 0.23( t − 1985)].
(1.3)
La figura 1.1 visualiza el desarrollo de la dimensión característica Θ de integración
durante los años pasados con su alcance hasta el año 2016. El término
microelectrónica tiene exactamente que ver con los circuitos integrados de alta
densidad y su diseño sobre un solo chip.
Figura 1.1: Desarrollo del tamaño característico en la tecnología planar sobre obleas de Si.
Los principios de operación de transistores convencionales, como también la
arquitectura del diseño de los circuitos integrados, llegaron a ó pasaron limites
físicos: el control del transporte de portadores eléctricos a través de ’depletion
layers’, formados por potenciales electroestáticos, se degrada con la negativa
consecuencia de corrientes subumbrales. Mas aún, por la semejanza en tamaño
entre las dimensiones laterales de las estructuras y la longitud de onda
DeBROGLIE de portadores de carga móviles, los electrones obedecen las leyes del
tunelamiento mecánico-cuántico y pasan fácilmente por barreras de potencial
formadas por capas incluso de aislantes.
Aparte del silicio, otros semiconductores han tomado importancia en la
microelectrónica: el arseniuro de galio, GaAs es un ejemplo. No obstante, existe
una diferencia tecnológica muy notable entre el Si y el GaAs: mientras el Si posee
un óxido extraordinariamente estable y útil, el óxido del GaAs se disuelve en agua
y no es durable. Además su precio de crecimiento y producción del GaAs es por un
factor de 100 veces mas alto que el del silicio. Es consecuencia lógica entonces que
el 80% de todos los dispositivos semiconductores estén fabricados en base a
silicio.
Tanto la integración de dispositivos siempre mas alta como la perspectiva de
nuevas estructuras nanométricas resultan en dispositivos más pequeños, menos
profundos respecto a la superficie de la oblea, y con transiciones más abruptas entre
regiones de diferente química por dopamiento o aleación. La pureza cristalina de
las obleas y de las uniones entre diferentes zonas ha de ser muy alta.
El caballo de batalla en el desarrollo de la microelectrónica son los circuitos de
memoria. El almacenamiento de información en regiones del semiconductor muy
pequeñas pone fuertes exigencias no solamente al material semiconductor, sino
también al material aislante (como dieléctrico en condensadores de
almacenamiento de carga), y al material metálico como pista eléctrica o
interconexión entre diferentes dispositivos. Una celda de memoria MOS-DRAM
consiste de un transistor de interrupción o switcheo y de un condensador de
almacenamiento (storage capacitor). El tamaño del condensador debe ser tal que
garantice la inmunidad contra fuentes de ruido, como por ejemplo, la generación de
portadores minoritarios por partículas alfa provenientes del entorno. Como mínimo
de la carga de operación almacenada se considera Qs > 2⋅10-13 As, mientras una
partícula alfa genera típicamente una carga de 1⋅10-13 As. Vemos la ecuación para
la carga de un condensador de placas: Qs = ε⋅Α⋅Ε (ε-constante dieléctrica del
medio, A-área de las placas del condensador, E-valor del campo eléctrico entre las
placas, dado por E = U/d, con d como la separación entre las placas o bien el
espesor del dieléctrico, y U el voltaje aplicado y anteriormente estandarizado
internacionalmente). Es obvio que no se puede reducir A demasiado sin reducir al
mismo tiempo d. Con U fijo a 3 volts, esto significa que el campo eléctrico llegará
pronto al campo de ruptura del dieléctrico, que para el SiO2 tiene un valor debajo
de 8 MV/cm. La constante dieléctrica del SiO2 con ε=3.9 no es suficiente, si el área
del condensador fuera más y más pequeña. Nuevos materiales dieléctricos con
mayores valores y compatibles con el proceso de la microfabricación son deseables
y bajo estudio como medida de optimización de la microelectrónica convencional.
1.2 Tecnologías avanzadas en la microelectrónica
La ultra-alta integración en la microelectrónica es indivisiblemente ligada a
tecnologías de crecimiento de estructuras finas tanto en dirección vertical a la oblea
como en dirección lateral para la definición e interconexión de los dispositivos.
Como dos tecnologías básicas con estas características se han desarrollado durante
los últimos 50 años la MO-CVD y la MBE con numerosas especializaciones y
variantes para el crecimiento de capas delgados hasta el nivel mono-atómica, tanto
como la fotolitografía utilizando como radiación una parte del espectro con siempre
más corta longitud de onda. En lo que sigue, se da una breve descripción de unas
características tecnológicas.
1.2.1 Estructuración vertical y lateral
MBE: La Epitaxia por Haz Molecular es una técnica de crecimiento de capas
cristalinas que comprende la reacción controlada de uno o más haces térmicos de
moléculas o átomos de diferente naturaleza con una superficie cristalina (substrato)
caliente bajo condiciones de ultra-alto vacío (presión total < 10-8 Pa). Por su
potencial extraordinario para la investigación básica y aplicada en los campos de la
ciencia de las superficies, interfaces, películas delgadas sólidas, y de materiales en
estado sólido y sus conceptos físicos y electrónicos que utilizan la técnica de vacío,
se asemejan las áreas de investigación, unificadas por el término genérico ’Física
del Vacío’. Al mismo tiempo el método MBE se ha extendido del nivel de
investigación a una aplicación real de materiales y dispositivos electrónicos en la
escala de producción (Figura 1.2).
Figura 1.2a: Un equipo completo para la realización de crecimiento de capas ultradelgadas y
epitaxiales por MBE (RIBER).
Figura 1.2b: Configuración de la cámara MBE-3 de vacío para el crecimiento epitaxial de aislantes y
metales sobre obleas de silicio (Zehe: Wiss. Z. TU Dresden 37, 179-188, (1988))
El GaAs más perfecto es producido por el método MBE. Los LASERes y sensores
semiconductores son por ejemplo producidos por MBE en grandes cantidades. El
progreso de la investigación en la física de la materia condensada y la realización
tecnológica de efectos descubiertos es prácticamente reducido a un solo proceso: El
reconocimiento de la alta movilidad de portadores de estructuras dopadas en forma
modulada con mutipozos cuánticos, proporciona inmediatamente el transistor de
alta movilidad del electrón (HEMT) producida por MBE y disponible en el
mercado.
Históricamente, el uso de MBE se inicio alrededor de 1970 fuera de las técnicas
convencionales de evaporación al vacío, cuando surgió la necesidad de obtener
dispositivos optoelectrónicos y de micro-ondas en dimensiones pequeñas y
estructuras más restringidas. Ahora las heteroestructuras a nivel de monocapas,
multipozos cuánticos dopadas selectivamente, estructuras de banda talladas, y
semiconductores con niveles de pureza arriba de 1014 átomos/cm3, es un indicio
claro del alto estándar logrado en la MBE.
La naturaleza cristalina de las películas y estructuras deseadas origina restricciones
en la variedad de materiales aplicables: A diferencia de la deposición de películas
delgadas, en la epitaxia es necesario satisfacer ciertas relaciones cristalográficas
con respecto a la simetría de la red y a la distancia interatómica. Sin embargo,
tampoco un gran porcentaje de enrejado incongruente no impide el crecimiento
perfecto de heteroestructuras con superredes de capas tensionadas.
El término haz molecular es aplicado usualmente para describir moléculas (y
átomos) uniformes moviéndose en una dirección bien definida sin afectar
colisiones entre ellos, dentro de una cámara de vacío. En su trayectoria
interaccionan con ciertos obstáculos, como con las paredes del recipiente o con un
substrato colocado intencionalmente (oblea) donde la adsorción puede o no ocurrir.
Una fuente gaseosa (vapor sobre un fundido) a temperatura T libera moléculas
dentro de un haz térmico molecular, donde la energía cinética mv2/2 tiene un valor
promedio de 3kT/2 y la velocidad molecular v cubre la distribución Maxwelliana
para dar un promedio cercano a 250 meV (1200 m/s) a 1100°C para átomos de
silicio. Para presiones menores a 10-4 Pa el camino medio libre es del orden de 100
metros; para moléculas pequeñas es una distancia grande comparada con cualquier
cámara normal de vacío. El llamado número KNUDSEN K* = λ/d es la relación
del camino libre medio con una dimensión característica del sistema, por ejemplo el
diámetro del recipiente. La región del flujo molecular es determinado por los
valores K* > 1, y las propiedades del flujo dependen solo de las colisiones entre
pared y gas. Debido a que las moléculas del gas no chocan entre si, dos haces
moleculares dentro del mismo espacio pueden propagarse en direcciones opuestas y
ninguno es afectado por la presencia del otro.
La intensidad del haz térmico molecular y así la velocidad de crecimiento es
determinado por la presión del vapor, P(T), de los materiales evaporados y puede
ser controlada fácilmente por la temperatura del fundido.
El número de celdas KNUDSEN independientes en un reactor de vacío y el control
externo de la secuencia de su operación (shutters) permite el crecimiento de
complicadas estructuras finas con propiedades eléctricas (dopamiento)
predeterminadas.
CVD: El método CVD representa otro procedimiento fundamental ya establecido
dentro de la tecnología de capas delgadas. Al igual que en los procesos físicos
(PVD, physical vapor deposition), el material de la capa es llevado en forma
gaseosa hacia el sustrato. Lo que es diferente es la composición de la fase gaseosa
en comparación con el método físico (MBE).
En los procesos PVD, un cuerpo sólido es vaporizado dentro de un ámbito
inmediatamente cercano al sustrato (evaporado a partir de celdas Knudsen,
utilizando vaporizadores de haz de electrones o mediante el bombardeo iónico).
Las partículas atómicas o moleculares se precipitan sobre su superficie o forman
una película delgada. En cada caso es el vacío la condición previa para una buena
calidad de capa.
En los procesos CVD, al contrario, los componentes volátiles – de aquí en adelante
compuestos gasiformes (llamados asimismos precursores) – reaccionan en las
superficies calientes del reactor hacia el material de capa sólido, ocurriendo esto, (como es común en los reactores químicos) – de manera tanto más rápida como
más alta sea la temperatura. A partir de cierto valor umbral la conversión química
ocurre tan rápidamente que el coeficiente de deposición solo se determina a partir
de la fusión de partículas e, inclusive, a ulterior aumento de temperatura no se
incrementará mas. Pero la temperatura de proceso está normalmente por debajo de
este umbral y es tan hasta cierto punto elevado, que el sustrato a recubrir todavía
resiste.
De los componentes moleculares orgánicos del compuesto respectivo depende la
volatilidad del complejo. Un precursor ideal metalorgánico para procesos CVD
debería ser fluido en condiciones normales, pero fácil de evaporar, descomponerse
según un esquema conocido e influenciable, y no ser tóxico, ni corrosivo, ni en
absoluto explosivo.
Mientras la CVD permite aplicaciones con alta productividad, la MBE aparte de
usos industriales, es una tecnología muy precisa para fines de investigación en
nanoestructuras.
PL: La fotolitografía tiene como objetivo la estructuración lateral de las capas finas
crecidas sobre una oblea (Figura 1.3).
Figura 1.3: Pasos del proceso de fotolitografía común.
Clásicamente esto ocurre a través de la irradiación de un material sensible a la
radiación, - el resist - aplicado a la oblea semiconductora utilizando radiación con
la que se imprimirá sobre este una imagen latente, y lo cual se expresa en una
modificación de las propiedades físicas y sobre todo de las químicas. A partir de
ello el resist modifica su solubilidad en solventes apropiados, especialmente en
gases reactivos como por ejemplo CF4, lo que permite una deposición de la
superficie libre del sustrato (revelado) para otros pasos de procesamiento, tales
como la aplicación de material de vía conductora, la implantación de iones con
fines de dotación o el llenado de zanjas ácido-atacadas con material aislante. Antes,
y si es el caso, las estructuras de laca son todavía reendurecidas mediante una
radiación especial utilizando luz ultravioleta, esto con el fin de proteger mejor de la
abrasión de la capa subyacente en el siguiente paso de ataque ácido. Normalmente
se utilizan como resist fotolacas orgánicas con una alta sensibilidad en el campo
ultravioleta del espectro electromagnético. Éstas son rociadas o proyectadas sobre
el sustrato-semiconductor. Estando bajo la radiación se efectúa o bien una
fotopolimerización de su estructura, lo que empeora la solubilidad de la zona
correspondiente en medio ácido (resist negativo), o bien una fotoresolución de
componentes con moléculas grandes, lo que a su vez aumentaría la solubilidad de
las zonas radiadas (resist positivo).
La longitud de onda de la radiación debe compararse con el tamaño característico
de los componentes electrónicos, que se quieren formar. Con luz ultravioleta no se
llegará más allá de los 100 nm.
1.2.2 Metrología en microsistemas
Uno de los objetivos principales de la analítica de superficies es la determinación
de la naturaleza de los elementos químicos en la capa externa de un sólido. Además
se requieren a menudo conocimientos de detalles estructurales, estados de ligazón y
de la homogeneidad de composición. Propiedades y procesos, como lo son la
contaminación, adsorción, adhesión oxidación, pasivación, interdifusión, dopaje,
crecimiento de cristales y epitaxia, pueden ser controlados solamente por la
analítica de superficies, interfaces y de capas delgadas con una resolución espacial
de alta precisión.
Casi todas las técnicas analíticas tienen alguna sensibilidad hacia la profundidad del
sólido, a pesar de que la mayor parte de la información producida surge de la
primera capa, la superficie física del sólido, la analítica de superficies e interfaces y
la analítica de capas ultra-delgadas tiene una fuerte interrelación. El deseo de lograr
una caracterización en 3 dimensiones (3D) requiere tanto una técnica de alta
resolución lateral como de alta resolución vertical hacia la profundidad de la
película.
En calidad de ejemplo se mencionan unas técnicas de frecuente uso y de
investigación, que dan lugar tanto a la caracterización como a la modificación de
superficies.
RHEED: La difracción de electrones de alta energía reflectados proporciona
información sobre la estructura de la superficie, microestructura y uniformidad en
ambas, tanto en el substrato anterior al crecimiento, como en la película epitaxial.
Es una técnica típica de inspección in situ e indispensable en el crecimiento por
MBE. Mientras que trazas de luz en el patrón RHEED nos indica que la superficie
es uniforme, una alta contaminación evita que el patrón RHEED aparezca. Las
oscilaciones en la intensidad de RHEED permiten el control de crecimiento a
escala monoatómica (Figura 1.4).
Figura
1.4:
La
técnica
RHEED
permite
en
el
modo
de
oscilación RHEED una precisión de control del crecimiento a nivel de una sola monocapa.
AES: La espectroscopía de electrones AUGER proporciona un análisis química
elemental de las capas exteriores de una muestra con un límite de detección de 0.1 1 % en una monocapa. En el crecimiento MBE se la aplica principalmente en el
estudio de la estequiometría de la superficie, además de la preparación del substrato
en la obtención de una superficie libre de oxígeno y carbono.
SIMS: La espectroscopia de masa de iónes secundarios puede ser operada de un
modo dinámico, donde el resultado es un perfil de profundidad de átomos dopante
y de una forma estática, donde solo es analizada la cúspide de la superficie en las
monocapas. Usualmente esta no es una técnica de cámara simultanea al crecimiento
MBE, aunque los datos obtenidos de la medición son de gran estimación para la
alta resolución en los perfiles profundos.
TIID: Las oscilaciones en la desorción inducida por imperfecciones transitorias se
consideran un efecto llamativo durante el crecimiento de las capas MBE. El
proceso fisico-químico involucra hechos experimentales, en donde los coeficientes
de absorción del oxígeno y del hidrógeno por una superficie dañada del
semiconductor excede por diversos órdenes de magnitud aquellos del
semiconductor con plano especular del mismo material. Durante el proceso MBE
las capas crecidas oscilan entre estas dos situaciones.
Figura 1.5: Oscilaciones del coeficiente de desorción durante el crecimiento por MBE
(Zehe et al.: Cryst. Res. Technol., 24, 853 (1989))
MEMS representan una combinación de la tecnología de procesamiento
semiconductor con la ingeniería mecánica, -y esta a una escala muy pequeña.
Contienen dos componentes principales, a saber un elemento mecánico y
transductores. El elemento mecánico se desplaza o vibra en respuesta a una fuerza
externa. Puede contar con un resorte suave y temblar con resonadores mecánicos
para la medición de fuerzas estáticas o variables en tiempo, respectivamente. Los
transductores integrados en MEMS convierten energía mecánica en señales
eléctricas u ópticas, y viceversa. La absorción de sustancias químicas, o cambios de
temperatura en la parte mecánica del sistema se hace notable en el cambio de la
frecuencia, y puede ser detectada de esta forma. En general, la señal saliente de un
dispositivo electromecánico es el movimiento de un elemento mecánico.
Las técnicas aquí mencionadas, aunque usadas frecuentemente, no cubren la ancha
escala de métodos analíticos existentes, que particularmente en la microelectrónica
convencional con sus estructuras relativamente grandes han de completarse por los
métodos de microscopía,- tanto óptica como electrónica, entre otros mas.
1.3 Límites de escalabilidad
La reducción en dimensiones geométricas del diseño de MOS-FET ha seguido con
éxito los pronósticos establecidos por la ley de MOORE. Al salto debajo de 100
nm para sus tamaños característicos se presentan limitaciones físicas, que pueden
poner en duda su utilidad. Se habla de una ’barrera 0.1 µm’, por que otros diseños
pueden ser necesarios para sustituir el MOS-FET clásico.
1.3.1 Campos eléctricos
Anteriormente (cap. 1.1) ya se mencionó la relación critica entre el espesor del
dieléctrico y su campo eléctrico de ruptura. Pero incluso los campos eléctricos
establecidos entre fuente y dreno del siempre más diminuto FET causan que los
electrones se muevan más rápidamente. Una vez que alcanzan valores con
suficiente energía, pueden estimular ruptura por avalanchas en el transistor, que lo
convierte inestable.
Hablando de la temperatura de partículas se requiere acordarse bien que el término
temperatura tiene razón de ser solamente para un conjunto estadístico
suficientemente grande en equilibrio. Mientras el sistema fonónico de un sólido (las
oscilaciones de la red) con una distribución energética MAXWELLBOLTZMANN, corresponde a exp(E/kTf), usualmente actua como baño térmico de
la temperatura Tf para otros conjuntos estadísticos (electrones, huecos, fotones,
etc.). El subsistema de los electrones por ejemplo, aunque teniendo equilibrio entre
los mismos electrones, puede adoptar una distribución correspondiente a una
temperatura Te mayor que la temperatura Tf. Tal sistema de electrones se llamaría
caliente (respecto al sistema del baño de fonones). En condiciones de altos campos
eléctricos, dadas por ejemplo entre el dreno (drain) y la fuente (source) de un
transistor de campo con longitud de canal abajo de 1 µm, es muy importante, que
los electrones acelerados se internen y lleguen a una distribución equilibrada. Unos
serán muy energéticos (calientes) incrustándose en el óxido del MOS-FET y así
deteriorando poco a poco las propiedades físicas del aislante. Características del
dispositivo, como ganancia y voltaje umbral, se cambian con el tiempo, causando el
mal funcionamiento del FET.
Si el campo eléctrico relacionado al a ruptura por avalancha determina su valor
máximo, en el otro extremo está controlado con el voltaje térmico, que a
temperatura ambiente es de aproximadamente 26 mV. Para que una señal quede
reconocible, debe superar por varias veces al valor del ruido térmico. El voltaje
térmico establece el valor mínimo para el campo eléctrico en ciertas estructuras del
FET.
Los transistores en el chip están separados del uno al otro con una distancia, que
garantiza su funcionamiento sin que efectos cruzados (cross link) lo perjudiquen. El
material que los separa puede ser considerado como una barrera de energía.
Mientras las leyes clásicas físicas impiden el paso de electrones con energía menor
que la de la barrera, las leyes fisico-cuánticas lo permiten tan pronto que el espesor
a de la barrera es comparable con la longitud de onda DeBROGLIE (Figura 1.6).
Figura 1.6: Los fenómenos cuánticos macroscópicos se presentan debido a que la medida de las tres
escalas de longitud, formadas por la distancia interatómica, la longitud de onda DeBROGLIE, y el
tamaño característico f de la estructura llegan a ser comparables.
Este proceso del funcionamiento cuántico tiene efecto sobre que tan denso se puede
colocar los transistores en un chip, y ocurre con alta frecuencia para grosores de
barrera d < 10 nm.
Para lograr el funcionamiento de dispositivos, ciertas regiones requieren un
dopamiento con impurezas. Mientras una concentración, digamos de donadores, de
1018 cm-3 en un semiconductor significa un considerable número de átomos
involucrados, en estructuras de 1000 nanómetros cúbicos, este valor da apenas una
sola impureza en el volumen activo. Efectos de equilibramiento basados en leyes
estadísticas pierden completamente su sentido.
La disipación de energía térmica en los chips es de preocupación particular. Con
cierta densidad de corriente eléctrica incluso en IC´s con varios niveles
sobrepuestos de pistas metálicas, el valor de calor térmico generado sobrepasa
valores conocidos solamente de los hornos eléctricos. Sin enfriamiento eficiente, ya
en el estado actual, resultarían fundidos.
A tan altas temperaturas aumentan efectos no-deseados de interdifusión y de
migración de materiales entre capas y dentro de las pistas metálicas. Merecen de
una particular atención.
1.3.2 Electromigración
Electromigración y la formación de agujeros (voids) y montecillos (hillocks) en
pistas metálicas restringen la confiabilidad de interconexiones desde el inicio de la
microelectrónica integrada. La aleación Al(+1⋅⋅⋅4%Cu) ha sido estudiada a fondo
por ser el material preferido para aplicaciones en conductores metálicos. Debido a
la reducción en los tamaños característicos y el crecimiento de densidades de
corriente, cobre con su mejor conductividad eléctrica está sustituyendo el aluminio
en la microelectrónica avanzada.
El paso de corrientes eléctricas de pocos mA a través de estas pequeñas estructuras
genera densidades de corriente mayores que 106 A/cm2 que con el tiempo rompen
las pistas. Tales densidades de corriente dan lugar a un incremento y a un gradiente
de temperatura dentro de la pista; el resultado es la presencia simultánea de
procesos de electrotransporte y difusión. La electromigración es uno de esos
mecanismos de transporte y está considerada como el principal factor de la
degradación de las pistas. Se manifiesta microscópicamente, por arriba de un cierto
valor de densidad de corriente, en forma de segregación, migración de bordes y
crecimiento de poros y montecillos, entre otras. Existen en la literatura un gran
número de trabajos sobre electromigración. En ellos se manifiesta que el fenómeno,
por complejidad, aún no está descrito por la teoría de una manera satisfactoria.
La electromigración en los sólidos ocurre como un resultado de la interacción entre
los portadores de carga y los átomos. El incremento de la temperatura, por el paso
de la corriente eléctrica produce un fuerte movimiento de los átomos. La acción de
fuerzas anisotrópicas sobre los átomos incrementa la probabilidad de un proceso de
cambio de lugar en una dirección determinada y se establece un transporte de iones
o partículas.
En un reciente esfuerzo de clasificar el origen físico de agujeros en pistas metálicas
se establece una regla semiempírica, que relaciona la formación de agujeros
durante el proceso de electromigración con la valencia de la matriz y del átomo
aleado. Se manifiesta el fenómeno, si la suma de las valencias es un número par, no
así en el caso contrario. La regla encontrada tiene que ver con la estructura
electrónica de la matriz e impureza, y resulta en pronósticos de bastante seguridad,
como muestra la siguiente tabla 1.1
Matrix element,
and valence
electron state
29
Solute atom,
and valence
electron state
Valence
electron
sum
Void formation
as
predicted
observed
Cu
Cu
29
Cu
29
Cu
29
Cu
29
Cu
29
Cu
4s1
4s1
4s1
4s1
4s1
4s1
4s1
47
Ag 5s1
In
5p1
41
Nb 5s1
50
Sn 5p2
73
Ta 6s2
46
Pd 4d10
23
V
4s2
even
even
even
odd
odd
odd
odd
yes
yes
yes
no
no
no
no
yes
yes
yes
no
no
no
no
13
Al
Al
13
Al
13
Al
13
Al
13
Al
13
Al
13
Al
13
Al
13
Al
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
3p1
47
Ag 5s1
Au 6s1
29
Cu 4s1
1
H
1s1
67
Ho 6s2
12
Mg 3s2
11
Na(?) 3s1
28
Ni
4s2
14
Si
3p2
22
Ti
4s2
even
even
even
even
odd
odd
even
odd
odd
odd
yes
yes
yes
yes
no
no
yes
no
no
no
yes
yes
yes
yes
no
no
yes
no
no
no
47
5s1
5s1
5s1
5s1
5s1
49
even
odd
even
odd
odd
yes
no
yes
no
no
no
no
no
no
no
29
13
Ag
Ag
47
Ag
47
Ag
47
Ag
47
49
79
In
5p1
O
2p4
51
Sb 5p3
50
Sn 5p2
30
Zn 4s2
8
Tabla 1.1: Comparación entre resultados pronosticados para la formación de agujeros en pistas
metálicas con resultados experimentales (Zehe: Mod. Phys. Lett. B 16, 1-9 (2002)).
Es bien conocido que un sistema eléctrico compuesto por una resistencia de valor R
y una capacitancia de valor C posee una constante de tiempo τ respecto a un
cambio de estado eléctrico: τ = RC. No es importante para tal efecto si la
resistencia y la capacitancia son dispositivos discretos, o bien si se distribuyen a lo
largo de una pista metálica. La alta integración lleva consigo un crecimiento en
longitud de las pistas. Además la reducción del espesor del óxido tanto entre pistas
metálicas y semiconductores, como entre las mismas pistas, causa que la
capacitancia C crezca. Es correcto entonces decir que para un pulso eléctrico
pasando por la pista, el retraso τ es más alto en sistemas de alta integración.
Evidentemente este efecto es contraproducente al deseo de un switcheo rápido en
dispositivos pequeños. Por un lado se mejora la situación con una arquitectura
inteligente de la colocación de las pistas (reduciendo C), por otro lado solamente
una disminución de la resistencia R del metal escogido (cobre en lugar de aluminio)
para la pista permite la reducción en τ.
1.4 Otros fenómenos físicos útiles en la microelectrónica convencional
La tecnología de procesamiento de información se fundamenta en dispositivos, que
son basados plenamente en la carga eléctrica de los portadores (electrones y
huecos). Esto aplica igual a los antiguos tubos eléctricos como a los microchips con
millones de transistores, donde la carga eléctrica es lo que cuenta. No obstante,
electrones tienen un espín, aparte de su carga eléctrica y masa, que hasta el
momento quedó sin consideración.
1.4.1 Control de flujos eléctricos por campos magnéticos: Spintronics
Dispositivos de la magnetoelectrónica (electrónica basada en el espín) aprovechan
diferencias en propiedades de transporte, que electrones con opuesta orientación del
espín pueden tener. La polarización de espines en los flujos de corriente a través
de los dispositivos es entonces indispensable, - y al mismo tiempo el mayor reto.
La inyección de electrones espin-polarizados desde un material ferromagnético en
semiconductores, o el dopamiento del semiconductor con átomos paramagnéticos
para convertirlo en ferromagnético son dos posibles caminos. Manganeso (Mn) con
estructura electrónica (3s23p63d54s2) es una de las opciones frecuentemente
aplicadas; Cromo (Cr) y fierro (Fe) han sido usado desde hace mucho tiempo para
la fabricación de GaAs semi-aislante (Fig. 1.7).
Magnetismo (que es sinónimo al espín electrónico) juega un papel en el
almacenamiento de información desde los inicios de la computación. El efecto de
magnetorresistencia, es decir, un cambio de la resistencia eléctrica con la aplicación
de un campo magnético, es usado en las cabecillas de lectura de datos impresos en
los discos duros en forma de dominios magnéticos.
En semejanza a la estructura de un FET común cuenta un Spín-FET con fuente y
dreno ferromagnéticos. Los electrones polarizados en espín, que salen de la fuente,
pasan al canal del FET y se incorporan con facilidad en el dreno. No así ocurre, si
se aplica un voltaje eléctrico a través de la puerta. En el campo eléctrico creado
dentro del canal, los espines de los electrones más rápidos están forzados en un
movimiento de precesión, que causa una modificación de su polarización. Como el
dreno permite la incorporación solamente de electrones sin demasiado cambio de
su orientación, estos ya no participan en el flujo eléctrico.
Fig. 1.7: Principio de operación de un Spin-FET (Internet).
La eficacia de la inyección de electrones espín-polarizados y su estable movimiento
entre fuente y dreno sin perturbación en imperfecciones e interfases son
condiciones, que requieren todavía avances tecnológicos de materiales.
De hecho, defectos son causantes primarios para la reducción de la eficacia de
inyección en heteroestructuras con transporte espín. Esto se pudo mostrar a través
del grado de polarización de luz saliendo de un diodo fotolumoniscente, aplicando
una inyección de electrones espín-polarizados en una estructura según Figura 1.8.
Figura 1.8: Estructura de un diodo fotoluminiscente con inyección de portadores espín-polarizados.
Los electrones surgen de la región ZnMnSe y son inyectados a un pozo cuántico
(QW) común formado entre GaAlAs y GaAs. El hecho importante consiste en que
la radiación de recombinación es polarizada en forma circular, cuyo signo
corresponde a la polarización de los espines electrónicos debido a reglas cuánticas
de selección.
1.4.2 Arquitectura tres-dimensional
El aprovechamiento de las obleas de silicio en más de un nivel de dispositivos
activos es un sueño de muchos años atrás. Soluciones epitaxiales con secuencias
monocristalinas de silicio, aislante y metal existen en principio, pero son demasiado
caros. Mientras se realiza interconexiones y pistas metálicas en hasta ocho niveles,
encima de la oblea, enterradas entre capas de material aislante, el único plano de
dispositivos activos queda directamente sobre la oblea.
Dejando soluciones epitaxiales a un lado, la deposición de silicio sobre su
dieléctrico SiO2 genera películas policristalinas. Transistores realzados en tales
películas han mostrado movilidades de hasta 90% de las conocidas en silicio
monocristalino. Este resultado llave deja pensar en la ’edificación’ de varias
secuencias de silicio-aislante-metal, puesto que se puede garantizar la planaridad de
cada nueva capa. Una reciente tecnología, conocida como pulido químicomecánico (CMP) permite exactamente esto. Después de cada deposición se realiza
un pulido correspondiente, llegando a una rugosidad de menos que 50 nm para la
siguiente deposición.
La atractividad de la arquitectura 3D resta en el hecho, que la completa inversión
monetaria y de conocimientos en el material silicio se mantiene activa. No obstante
quedaría la disipación térmica desde varios niveles de dispositivos activos más
concentrados, un problema todavía más grave que en los sistemas planares 2D.
Recientes desarrollos de microrefrigeradores, sin embargo, indican su capacidad de
remover 200 Watts por mm2, - una potencia suficiente para descartar aparentemente
este problema.
Por toda experiencia, la Mecánica Clásica (Newtoniana)
permite la descripción exacta del movimiento de objetos
compactos.
En la descripción de Atomos y Moléculas la Mecanica Clásica
falla; da resultados incorrectos; por lo tanto la Nanociencia
requiere de la Mecánica Cuántica.
Sin embargo, efectos cuánticos no se dejan observar para
objetos grandes.
¿Que es “grande”?
NANOCIENCIA es la ciencia de fenómenos físicos a escala
nanométrica
sus Herramientas:
La Mecánica Cuántica y Supercomputadoras
NANOTECNOLOGIA comprende el conocimiento de los
procesos necesarios para la fabricación de nanosistemas,
controlando la materia a nivel atómico y molecular
sus Herramientas:
Técnicas con resolución atómica (STM, AFM, SPM),
Biomimética y Auto-Organización