Laboratorio LIMEMS

 

Introducción

 


El rezago tecnológico en el que se encuentra México en el campo de fabricación de circuitos integrados hace que el país sea totalmente dependiente del exterior en lo que a alta tecnología se refiere. Consciente de esta severa limitante, el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica ha abogado en los últimos años por la creación de un centro nacional de fabricación de circuitos integrados; el Laboratorio de Innovación en MEMS - LIMEMS.

El LIMEMS fue construido entre los años 2005 - 2010 gracias al apoyo de la Secretaría de Economía y al Gobierno del Estado de Puebla a través de la SEDECO, con un apoyo total de 20 millones de pesos (15 de la SE y 5 de la SEDECO), complementándose con equipo de fabricación de circuitos integrados proveniente de la donación hecha por la empresa Motorola para así  conformar la estructura de este laboratorio para la realización de prototipos de MEMS y el estudio e incorporación de materiales nanoestructurados a nuevos dispositivos y sensores.
 

El LIMEMS consta de un área de 600 m2, con un cuarto limpio clase 10 en los puertos de entrada del equipo de fabricación,  clase 100 en el resto del área y clase 1000 en el área de servicios.

 

Objetivo General


El objetivo general de este proyecto es el de contar con un laboratorio de clase mundial para el desarrollo de una tecnología nacional de fabricación de dispositivos, circuitos integrados y MEMS en tecnología del silicio, acorde a las necesidades de la industria.  En este Laboratorio se formarán recursos humanos altamente calificados, con una visión moderna y global de la electrónica.

El LIMEMS actuará como enlace entre la investigación de alto nivel tecnológico y el sector industrial, lo cual redundará en el desarrollo de una industria electrónica nacional y coadyuvará a mejorar el entorno universidad-industria-gobierno mediante un proyecto autosustentable y competitivo. Será el aglutinador de los esfuerzos de todas las instituciones y centros de investigación nacionales que realizan investigación en electrónica y áreas relacionadas. Este objetivo general será realizado combinando investigación básica y aplicada en un amplio rango de dominios de investigación, que van del diseño de circuitos integrados, pasando por las tecnologías de fabricación hasta microsistemas y nuevas técnicas de fabricación de circuitos impresos.

Objetivos específicos

  • Desarrollo de un proceso de fabricación nacional de circuitos integrados BiCMOS con dimensión mínima de 0.8 µm con incorporación de dieléctricos de baja constante dieléctrica k y reducción de resistencias parásitas intrínsecas.

  • Desarrollo de una tecnología nacional de fabricación de Sistemas Microelectromecánicos (MEMS).

  • Obtención, caracterización y aplicación de materiales nanoestructurados compatibles con la tecnología del silicio y para la fabricación de circuitos impresos para computadoras personales operando a frecuencias de reloj superiores a 10GHz.

  • Estudio, desarrollo y caracterización de dieléctricos de alta k novedosos.

  • Estudio de sustratos de alto índice cristalino para el aumento de la movilidad de portadores de carga, elevando el funcionamiento de los dispositivos.

  • Desarrollo de un proceso de fabricación completamente silicidado (FUSI) y estudio de la función trabajo de silisuros sobre dieléctricos de alta k.

  • Desarrollo de dispositivos avanzados (por ejemplo, de múltiple compuerta (FinFET) en sustratos tanto convencionales como de alto índice.

  • Desarrollo de dispositivos optoelectrónicos en base de silicio.

  • Desarrollo de interconexiones de muy alta frecuencia para comunicaciones chip a chip en circuitos impresos.

  • Modelado de materiales y dispositivos.

  • Realización de nueva técnicas de diseño para la óptima utilización de los dispositivos y materiales aquí desarrollados con énfasis en circuitos integrados de RF y optoelectrónicos.

  • Desarrollo de sistemas de CAD para el modelado y caracterización de materiales, procesos y dispositivos resultado de este proyecto.

  • Realizar convenios de colaboración con instituciones y centros de investigación nacionales relacionados con la electrónica y áreas afines.

  • Realizar proyectos de colaboración con la industria electrónica global, para así participar en la elaboración de los “Road Map” de ésta.

  • Ofrecer servicios de fabricación de prototipos y/o lotes de dispositivos semiconductores, MEMS y circuitos integrados con el proceso y materiales aquí desarrollados.

  • Generar recursos humanos que harán a nuestro país atractivo a la industria electrónica de alta tecnología para incrementar la competitividad.

  • Ser el aglutinador de los esfuerzos de los centros de investigación y universidades nacionales en el desarrollo de la electrónica.

  • Servir de catalizador para el desarrollo de una industria electrónica nacional.

Aportación científica


Por ya más de 4 décadas, la industria de semiconductores se ha distinguido por su muy rápido paso en cuanto al mejoramiento de sus productos. Las categorías principales de este mejoramiento se han traducido en una muy alta escala de integración (número de componentes por chip), mayor velocidad, menor consumo de potencia, productos cada vez más compactos y ligeros y mayor capacidad de memoria. Una de las más frecuentes tendencias de esta industria es frecuentemente expresada como la Ley de Moore, que apareció en 1975., (p.e. el número de componentes de un chip se duplica cada 2 años). El impacto más significativo de esta ley a la sociedad ha sido la disminución del costo por función, que ha llevado a las sociedades que cuentan con tecnología de microelectrónica a aumentar su productividad y calidad de vida mediante la proliferación de computadoras, comunicación electrónica y productos de consumo a bajo costo.

El “Road Map” de la “Semiconductor Industry Association” (SIA) 2015 [1], establece como nodos de producción industrial para los años 2019, 2023 y 2027 de 18, 15 y 9 nm respectivamente. Esto es, el futuro de los nodos de mencionados presenta retos considerables, como también se hace notar en el “Road Map”. La llamada era del “escalado feliz” se ha terminado. La posterior disminución de las dimensiones no resultará más en disminución de potencia y costos. La disipación de potencia (debida a la fuga de corriente de los dispositivos) y variabilidad de los procesos de fabricación se convierten en los retos principales.

De manera automática, se hace necesaria la introducción de nuevos materiales (dieléctricos de alta y baja constante dieléctrica), nuevas arquitecturas de transistores (dispositivos multi-compuerta), que en conjunto con técnicas avanzadas de litografía son necesarias para continuar con el escalamiento. A largo plazo, sin embargo, se puede pensar en el reemplazo del material convencional de la industria de circuitos integrados, el silicio, y la introducción en ciertas áreas de aplicación de materiales de alta movilidad como Ge o semiconductores compuestos como los III-V. Es más, se consideran para un futuro distante por la SIA, la introducción de tecnologías disruptivas como nanotubos de carbón o la “spintrónica”.

En congruencia con la corriente principal de la SIA, al mantener más allá de la Ley de Moore un sustrato barato, competitivo y abundante como el silicio, es donde podremos tener grandes contribuciones científicas. Compañías como Intel [2], trabajan arduamente hacia el desarrollo de conexiones ópticas operando en el rango de THz en base de silicio. Al respecto, dentro de la Coordinación de Electrónica, hemos ya realizado algunos avances y hemos reportado detectores en base se silicio para longitudes de onda de hasta 1.55 µm, operando a frecuencias de hasta 45GHz [3]. En estos, el material base está compuesto de nanocristales de Ge embebidos en una red amorfa de Ge. Ya que este proceso es compatible con la tecnología del Si, con lo seguiremos trabajando hacia la integración de este con los circuitos de control en el mismo sustrato. Respecto a otros materiales a ser incorporados como los dieléctricos, ya hemos propuesto al a-C:H por su k = 2.3, demostrado en nuestro laboratorio [4]. Ahora proponemos el uso de peroskitas como dieléctricos de alta k, ya que pueden crecer epitaxialmente sobre Si y proporcionar una interface uniforme y libre defectos sobre el Si, reduciendo así la corriente de fuga y la baja movilidad, entre los grandes retos que hasta ahora presentan la materiales de alta k propuestos como dieléctricos de compuerta como el HfO2 o HfSiON [5].

Lo anterior solo son algunos ejemplos del tipo de aportaciones que de este proyecto surgirán. En síntesis se trata de investigación básica y aplicada a materiales nanoestructurados, tecnologías de fabricación, nuevos dispositivos y su aplicación a circuitos integrados, sistemas, MEMS y el consecuente modelado y diseño de nuevas arquitecturas y topologías de circuitos y sistemas. Aportaciones que cubren dos grandes rubros de la ciencia referentes a ciencia básica y a ciencia aplicada.

 

Justificación científica



Del tipo de aportaciones científicas de este proyecto, queda completamente justificado científicamente el mismo, ya que se ocupa de problemas que la industria global de la electrónica debe resolver para sus futuras generaciones de productos. Por otro lado, es importante mencionar lo que algunos especialistas como Gregory Timp, opinan sobre el futuro de la tecnología del silicio [6], el autor dice “Es posible que el negocio de CIs de Si siga el camino de la industria del acero, convirtiéndose en una tecnología de uso común, de bajo costo mientras que otras tecnologías (p.e., plásticos o aluminio) llegan y compiten con él en aplicaciones específicas donde ofrecen menor costo o mejor funcionamiento. Aún con esas alternativas, el acero persiste como el núcleo de nuestra cultura mecánica y coexiste con otras tecnologías”. Lo equivalente se espera de la tecnología del silicio, lo que lo convierte en la piedra angular donde descansarán las tecnologías alternas.

Por lo anterior, es más importante para nosotros justificar lo que este proyecto puede hacer por nuestro país. Uno de los principales impactos de este proyecto será en cuanto a la formación de recursos humanos en ciencia de la electrónica. Se espera también influir en la currícula de las carreras de ingeniería electrónica nacional, al proporcionar conocimiento nuevo y experiencia en la electrónica de punta desarrollada dentro de nuestro país.

Este proyecto contempla también la transferencia tecnológica a la industria global existente, con lo que en un plazo de 20 años este LNN podría ser un proyecto autosustentable, proveyendo del producto del desarrollo y transferencia de sus innovaciones y desarrollos, entradas suficientes para mantener plazas de investigadores de nueva creación y actualización del equipo de investigación y de fabricación.

 

Vinculación con el Plan de Desarrollo Institucional


La misión del INAOE como Centro Público de Investigación es “Contribuir a la generación, avance y difusión del conocimiento para el desarrollo del país y de la humanidad, por medio de la identificación y solución de problemas científicos y tecnológicos y de la formación de especialistas en las áreas de Astrofísica, Óptica, Electrónica, Ciencias Computacionales y áreas afines”. Y en su visión contempla, “El desarrollo tecnológico y la formación de recursos humanos de las áreas de Astrofísica, Óptica, Electrónica, Ciencias Computacionales y áreas afines, comprometido con el desarrollo nacional a través de la promoción de valores sociales de solidaridad, creatividad y alta competitividad”. Con lo que este proyecto se alinea a la misión y visión del INAOE. Por otro lado, dentro del Plan de Desarrollo Institucional, se prevé el crecimiento de la infraestructura material como de investigación.


Finalmente, y en congruencia con la misión y visión institucionales, este proyecto actuará como enlace entre la investigación de alto nivel tecnológico y el sector industrial, lo cual redundará en el desarrollo de una tecnología mexicana de fabricación de circuitos integrados, sensores, y MEMS, para elevar el nivel de competitividad de nuestro país en la electrónica mundial, al contar con los recursos humanos altamente calificados que esta industria requiere, promoviendo e incentivando así la inversión extranjera. Como consecuencia, se pretende dejar de ser un país “maquilador” para convertirnos en creadores de tecnología de punta. El LIMEMS pretende además promover la acción concertada entre la industria, el gobierno y la academia para crear un polo de desarrollo científico-industrial competitivo y autosustentable a nivel internacional.

Jefa del Laboratorio: Dra. Claudia Reyes Betanzo


Referencias

[1]. International Technology Roadmap for Semiconductors, publicado por la Semiconductor Industry Association, Edición 2015.
[2] www.intel.com/technology
[3] A. Torres Jácome, A. Murguía and R. Ramos, “A MSM Thin Film High Spedd Photo-Detector Based on a-SiGe:H,F”, Joint International Meeting of the ECS, Octubre 29 – Noviembre 3, 2006, Cancún México
[4] C. Zúñiga, A. Torres, A. Kosarev, “Carbon films deposited by low frequency plasma as Inter-metal dielectric”, J. Non Crystalline Solids, Vol. 329, pp. 175-179, 2003.
[5] C.-T. Chan et al “Characteristics and Physical Mechanisms of Positive Bias and temperatura Stress-Induced Drain Current Degradation in HfSiON nMosfets”, IEEE Trans. On Elect. Devices Vol 53, pp. 1340-1436, 2006.
[6] Gregory Timp, “Nanotechnology”, Gregory Timp Editor, Springer-Berlag, 1999, Chapter 2, p 79.

 


Última modificación :
20-07-2018 a las 11:12 por Laura Toxqui Olmos

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