Método de fabricación de una estructura semiconductora que comprende las etapas de obtención de los parámetros materiales,

dimensiones y características externas del dispositivo electrónico, obtención del potencial clásico, los potenciales cuánticos y los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores, cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales y comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y optimización de los parámetros materiales en función de esa comparación. Gracias a que los potenciales cuánticos se obtienen de ecuaciones de gradiente de densidad es posible usar el método a escalas muy pequeñas de forma más precisa y rápida.

Método de fabricación de estructuras semiconductoras considerando efectos cuánticos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método utilizado en la fabricación de semiconductores. Más en particular, se refiere al cálculo de los parámetros del semiconductor necesarios para su fabricación mediante la aplicación de potenciales cuánticos.

Antecedentes de la invención

Los efectos cuánticos tienen actualmente gran importancia en el diseño de los dispositivos electrónicos basados en semiconductores debido a la influencia que tienen sobre las características y el rendimiento de estos elementos. Además está siendo cada vez más importante debido a que con el escalado cada vez más agresivo de estos componentes el efecto de las correcciones cuánticas es cada vez más importante, llegando a invalidar los resultados que se alcanzan si estos no son tenidos en cuenta adecuadamente.

El continuo escalado en los dispositivos semiconductores, sobre todo en el caso de los transistores de efecto campo metal óxido semiconductor (MOSFET), ha alcanzado las dimensiones de decenas de nanómetros. Este escalado se mantiene provocando que las dimensiones criticas de estos elementos sean cada vez más pequeñas. Esto genera importantes problemas tecnológicos que es preciso tener en cuenta para diseñar estos elementos. Frente a los sistemas clásicos para poder caracterizar adecuadamente estos dispositivos es preciso considerar los efectos de las correcciones cuánticas (H.-S. P. Wong. Beyond the convencional transistor. IBM J. Res. Dev, 46(2): 133-168, 2002). Tener en cuenta estos efectos es básico para realizar diseños eficientes, precisar el comportamiento de estos dispositivos, así como probar diferentes estrategias con el fin de aumentar su rendimiento de cara a las distintas aplicaciones desarrolladas a partir de estos dispositivos. Además para poder obtener de forma rápida y precisa el efecto de las correcciones cuánticas es básico, sobre todo cuando se pretende estudiar el efecto de fluctuaciones y variaciones materiales en estos dispositivos debido a los procesos de fabricación, los generados por la naturaleza discreta de la materia. La patente US 200770101301 describe un método para calcular los parámetros de un semiconductor a partir de los potenciales cuánticos. Sin embargo, en este método todos los cálculos se hacen a nivel atómico, usando las funciones de Green y aproximaciones similares, lo que lo hace inviable debido a la ingente cantidad de cálculos que habría que realizar para su aplicación a dispositivos en tres dimensiones de tamaño real, además de los problemas que presenta cuando estos dispositivos están muy dopados, que corresponde a los dispositivos que se fabrican en la actualidad. El uso de dispositivos semiconductores basados en transistores MOSFET en los cuales la región de óxido de la puerta es cada vez más estrecha requiere considerables cambios en los diseños de estos elementos y en la aplicación de los diversos criterios de escalado. A estas dimensiones los efectos cuánticos son muy importantes y deberían de tenerse en cuenta para la correcta fabricación de estos transistores. Modelos previos resultan ser demasiado lentos para el proceso de diseño de las nuevas estructuras debido a la complejidad de su estructura y de los materiales necesarios.

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto resolver los problemas expuestos anteriormente mediante el siguiente procedimiento:

a. obtención de los parámetros materiales, dimensiones y características externas del dispositivo electrónico,

b. obtención del potencial clásico a partir de la etapa anterior,

c. obtención de los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores,

d. obtención de los potenciales cuánticos a partir del potencial clásico y los cuasi-potenciales,

e. cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales,

f. proceso de comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y se optimizan los parámetros materiales en función de esa comparación.

El paso d. se efectúa usando las ecuaciones de gradiente de densidad.

En el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares o que esté divido internamente en elementos irregulares, el potencial cuántico para los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula de gradiente de densidad:

Donde siendo m_n la masa del electrón, hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, ψ_qn es el potencial cuántico efectivo de electrones, φ el potencial, φ_n es cuasipotencial de electrones, vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, θ_i es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento Ω.

Para los huecos se utiliza la siguiente fórmula:

Si las fronteras son regulares y el semiconductor está internamente dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula:

El potencial cuántico para el caso de los huecos se calcula mediante la fórmula:

El proceso de obtención de los efectos cuánticos usa el modelo de gradiente de densidad utilizando una formulación específica que presenta una variación mucho más pequeña que los sistemas estándar en los cuales aparecen dependencias tipo exponencial o logarítmica. Este sistema utiliza una dependencia del orden del potencial y no del orden de la concentración que es mucho más grande. La ventaja del método propuesto es que se puede aplicar a dispositivos de tamaño real y realizar el estudio en tres dimensiones incluso en estructuras con formas irregulares. Además de poder aplicarse a casos donde las distintas regiones están dopadas con valores muy elevados.

Breve descripción de las figuras

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de la presente descripción, acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la invención, se adjuntan las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 compara las características I_D-V_G obtenidas con las experimentales a baja tensión de drenador (0,05 V) y a alta tensión de drenador (1,2 V).

La figura 2 es una representación del potencial cuántico efectivo en equilibrio.

La figura 3 es una gráfica del potencial cuántico en el plano y = 0.

La figura 4 es una representación de la concentración de electrones incluyendo las correcciones cuánticas cuando V_D=0.05 V y V_G=0.0 V.

La figura 5 es una representación del potencial incluyendo correcciones cuánticas cuando V_D=0.05 V y V_G=0.0 V.

La figura 6 es una representación de las curvas características I_D-V_D obtenidas considerando y sin considerar correcciones cuánticas.

Descripción detallada de la invención

La ventaja del método propuesto es que se puede aplicar a dispositivos de tamaño real y realizar el estudio en tres dimensiones incluso usando dispositivos con formas no rectangulares, irregulares o curvas. Además de poder aplicarse a casos donde las distintas regiones están dopadas con valores muy elevados.

La invención posibilita la optimización del diseño de cualquier dispositivo semiconductor sin tener que aproximar las medidas del semiconductor a las de uno ideal. En una primera etapa se parte de una estructura semiconductora inicial con las... [Seguir leyendo]

1. Método de fabricación de una estructura semiconductora que comprende las etapas siguientes:

a. obtención de los parámetros materiales, dimensiones y características externas del dispositivo electrónico,

b. obtención del potencial clásico a partir de la etapa anterior,

c. obtención de los cuasi-potenciales de los portadores y las concentraciones de portadores,

d. obtención de los potenciales cuánticos a partir del potencial clásico y los cuasi-potenciales,

e. cálculo de las características eléctricas del dispositivo a partir del potencial cuántico y los cuasi potenciales,

f. comparación de las características eléctricas obtenidas con otras de referencia y optimización de los parámetros materiales en función de esa comparación,

caracterizado en que el paso d. se efectúa usando las ecuaciones de gradiente de densidad.

2. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque, en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares o que esté dividido internamente en elementos irregulares, el potencial cuántico para los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula de gradiente de densidad:

Donde siendo m_n la masa del electrón, hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, ψ_qn es el potencial cuántico efectivo de electrones, φ el potencial, φ_n es cuasipotencial de electrones, vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, θ_i es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento Ω.

3. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras regulares y que internamente este dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los electrones se calcula mediante la siguiente fórmula:

donde siendo m_n la masa del electrón, r un parámetro característico de cada dispositivo y q la carga del electrón, ψ_qn es el potencial cuántico efectivo de electrones, φ el potencial y φ_n es cuasi-potencial de electrones.

4. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras irregulares y que este dividido internamente en elementos irregulares el potencial cuántico se calcula para los huecos mediante la siguiente fórmula:

Donde siendo m_p la masa del hueco, hbar es la constante de Planck reducida, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, ψ_qp es el potencial cuántico efectivo de huecos, φ el potencial, φ_p es cuasipotencial de huecos, vec{n} el vector normal a la superficie de separación S, θ_i es la función de forma sobre el nodo i de la malla correspondiente al elemento Ω.

5. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque en el caso de que la estructura semiconductora tenga fronteras regulares y que internamente este dividido en elementos regulares el potencial cuántico para el caso de los huecos se calcula mediante la fórmula:

Donde siendo m_p la masa del electrón, r un parámetro característico de cada dispositivo, q la carga del electrón, ψ_qp es el potencial cuántico efectivo de huecos, φ el potencial, φ_P es cuasipotencial de huecos.

6. Método de fabricación de un dispositivo electrónico donde los elementos semiconductores que lo componen son fabricados mediante un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.