Puolijohde- ja CMOS -prosessit

Puolijohde ja CMO: tProcessit

Luonnollisen hiekan on runsaasti piidioksidia (SiO₂), josta korkea - puhtaus monokiteinen pii voidaan erottaa integroitujen piirien valmistamiseksi. Monokiteisen piin kanssa on erittäin korkea puhtausvaatimus, jonka on saavutettava yli 99,99999999% (ts. 9 9 s), ja piidiomit on järjestettävä timanttimuotoisen rakenteen mukaisesti kideytimen muodostamiseksi. Kun kideytimen kidetason suunta on sama, monokiteinen pii voidaan muodostaa; Jos kiditason suunta on erilainen, muodostuu polysilicon.

Sekä monokiteistä piitä että polysiliconia voidaan käyttää integroitujen piirejen valmistuksessa, joista monokiteistä piitä käytetään pääasiassa piidisubstraattien rakentamiseen, ja polysiliconia voidaan käyttää komponenttien, kuten porttien, polysilicon -vastusten tai MOS -putkien kondensaatioiden valmistukseen.

Kuten kuviossa 1 esitetään, tuotantoprosessi hiekasta sirulle on seuraava: Ensinnäkin kvartsihiekkaa käytetään raaka -aineena yhden kidisen piin - valmistamiseksi kvartsihiekan piidioksidipitoisuus on korkeampi kuin tavallisen hiekan, ja metallurgisen luokan pii voidaan saada jalostuksen jälkeen; sitten puhdistaminen, puhdistaminen ja tallettaminen metallurgisen luokan pii Polysiliconin tuottamiseksi; Piirustusprosessin kautta Polysilicon voidaan muuttaa monokiteiseksi pii -hartsiksi. Leikkaa yksikristallisilikonit ohuiksi arkeiksi kiekkojen saamiseksi. Jokaisesta kiekosta voidaan valmistaa suuri määrä integroituja piirimuotoja, jotka viipaloidaan, testataan ja pakataan integroidun piirisirun (ChIP) tuotteiden valmistamiseksi.

Luontaiset puolijohteet

Luonnolliset puolijohteet viittaavat puhtaisiin kiteisiin, joissa ei ole epäpuhtausatomeja ja joilla ei ole rakenteellisia vikoja. Germanium (GE) ja pii (SI) ovat molemmat nelinkertaisia ​​elementtejä ja niitä käytetään yleisesti puolijohdemateriaaleja. Luonnollisissa puolijohteissa, vaikka atomien ulkoisimmassa kerroksessa olevat neljä valenssielektronia voivat muodostaa kovalenttisia sidoksia ympäröivien atomien uloimpien elektronien kanssa, lämmön tai kevyen energian virityksen alla, joidenkin kovalenttisten sidosten elektronit voivat vapautua kovalenttisista sidoksista ja sitten muodostaa johtavia band -elektroneja ja valenssibändikohtia, jotka ovat kollektiivisesti kutsuttuja kantaja -autoja. Koska kahta luontaisten puolijohteiden kantajaa esiintyy aina pareittain ja ovat lämpötasapainon tilassa, sovelletun sähkökentän vaikutuksesta, nämä kantajat voivat liikkua suunnan muodostamiseksi sähkövirran muodostamiseksi, niin että materiaalilla on tietty johtavuus, joten tätä puolijohdetyyppiä kutsutaan sisäiseksi puolijohdeksi.

Jos sisäiseen puolijohteeseen lisätään tietty määrä spesifisiä epäpuhtaustomeja, se muunnetaan non - sisäiseksi puolijohdeksi. Niiden joukossa ei - Pentavalent -elementteihin sisällytettyjä sisäisiä puolijohteita kutsutaan n - tyyppisiä puolijohteita, ja sellaisia ​​pentavalenttisia elementtejä kutsutaan luovuttajien epäpuhtauksille; Ei - sisäisiä puolijohteita, jotka on sisällytetty kolmiulotteisiin elementteihin, kutsutaan p - tyyppisiä puolijohteita, ja näitä kolmiulotteisia elementtejä kutsutaan vastaavasti isäntävammaisuuksille. Toisin kuin luontaisten puolijohteiden lämpötasapainotila, ei - sisäiset puolijohdekorit ovat aina epätasapainotilassa: hallitsevaa kantoaaltoa kutsutaan enemmistökantajaa (viitataan moniksi), ja toissijaista kantoaaltoa kutsutaan vähemmistökuljettajaksi (viitattuna muutamille). Koska n - tyyppi puolijohteet on seostettu 5 - Valent -elementillä, niiden momotronit ovat ilmaisia ​​elektroneja; P-tyypin puolijohteet ovat seostettuja kolmiulotteisilla elementeillä, ja niiden molekyylit ovat reikiä.

Luonnollisen puolijohteen sisällä kahden kantajan (johtavan kaistaelektronien ja valenssikaistareiän) pitoisuudet lämpötasapainossa ovat samat, ja tätä konsentraatiota kutsutaan sisäiseksi kantajapitoisuudeksi. Tämä pitoisuus ei ole vakio, mutta se riippuu puolijohteen erityisestä materiaalista ja lämpötilasta, jossa se sijaitsee -, mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi sisäisen kantaja -alueen pitoisuus.

Ei - sisäisissä puolijohteissa useimpien kantajien pitoisuus (polypioni) on suunnilleen ekvivalentti epäpuhtauksien dopingpitoisuuteen, yleensä useita suuruusluokkia korkeammat kuin luontainen kantajapitoisuus. Pienen määrän kantajien (harvojen) pitoisuus on yleensä alhaisempi kuin luontaisten kantajien, ja näiden kahden välillä on myös useita suuruuserä. Siksi verrattuna multi - hiukkaspitoisuuteen, oligoptoninen pitoisuus on erittäin alhainen, mikä on vähäinen useimmissa laskennallisissa ja analyysi -skenaarioissa.

Kantaja tuottaa suuntauksen ohjaaman suuntauksen. Heikossa sähkökenttäympäristössä suoraa suhteellista suhdetta täyttyy kantoaalton keskimääräisen ajonopeuden V: n ja sähkökentän lujuuden E välillä, joka ilmaistaan

(Jos suhteellista kertoimia μ kutsutaan kantaja -olleen liikkuvuudeksi, joka mitataan senttimetreinä volttia toiseksi, ts. CM/(V · s)).

Tämä kantoaalton ajautumisliike voi muodostaa ajovirran, ja ajautumisvirran suuruus korreloi positiivisesti kantoaaltoliikenteen kanssa. On huomattava, että vaikka reikien ja vapaiden elektronien todellinen ajo -suunta on vastapäätä sähkökentän voiman vaikutusta, kunkin niistä muodostama ajautumisvirran suunta on täsmälleen sama, joten puolijohteen sisällä oleva kokonaispoistovirta on yhtä suuri kuin reiän ajovirran ja vapaan elektronien ajovirran superpositio.

Kun sovelletun sähkökentän lujuus on sama, mitä suurempi puolijohteen ajovirran tiheys on, sitä vahvempi sen johtavuus. Lisäanalyysi osoittaa, että drift -virrantiheys ei ole vain suoraan verrannollinen kantaja -auton liikkuvuuteen, vaan myös kantoaallon pitoisuuteen. Vaikka luontaisten puolijohteiden kantoaaltokonsentraatio ei ole nolla ja voi tuottaa heikkoja ajovirtoja sähkökenttien vaikutuksesta, multi - non - -sisäiset puolijohteet ovat yleensä monia suuruusluokkaa korkeampia kuin luontaiset kantajapitoisuudet, mikä on suurempi kuin- introniconsemong -intronondiktorien drift -densiteetti. sisäisiä puolijohteita. Siksi luontaisten puolijohteiden drift virran tiheys on yleensä vähäinen laskettaessa ajautumisvirtaa.

P-Kirjoita ja n - Tyyppi Semiconductors

Q - johtuen luontaisten puolijohteiden erittäin pienestä ajovirran tiheydestä, sisäisiä puolijohteita voidaan yleensä pitää eristiminä verrattuna ei - sisäisiä puolijohteita. Tämän vuoksi integroitujen piirien todellisessa valmistuksessa käytetyt puolijohdemateriaalit eivät ole - sisäisiä puolijohteita. Ei -- luontaisten puolijohteiden johtavuus liittyy läheisesti moninkertaisten liikkuvuuteen μ: Mitä suurempi liikkuvuus, sitä vahvempi puolijohteen johtavuus ja sitä nopeampi puolijohdetyössä tehty laite.

Germaniumin (GE) ja piin (SI) operaattorin liikkuvuustiedot on esitetty taulukossa 2 (missä ilmainen elektronien liikkuvuus kirjoitetaan μN: n ja reikien liikkuvuus kirjoitetaan μP: nä). Sekä GE: n että Si: n ilmainen elektronien liikkuvuus μN on paljon suurempi kuin reiän liikkuvuuden μp, joten n - tyyppiset puolijohdelaitteet toimivat huomattavasti paremmin kuin p - tyypin puolijohdelaitteet keskeisissä suorituskyvyn indikaattoreissa, kuten voitto, taajuusominaisuudet ja ajokyvyn.

Kuten kuvassa 2 esitetään, kun n - tyyppinen puolijohde ja p - -tyyppinen puolijohde on läheisessä kosketuksessa, näiden kahden välisessä rajapinnassa muodostuu PN -liitos. Risteysalueella N -alueen vapaat elektronit diffundoivat P -alueelle, kun taas P -alueen reikät diffundoivat N -alueelle. Tämän diffuusioliikkeen jälkeen rajapinnalla muodostuu sisäinen sähkökenttä N -alueelta P -alueelle. Kun sisäisen sähkökentän lujuus kasvaa vähitellen, lopullinen diffuusiovoima ja sisäinen sähkökenttävoima saavuttavat tasapainotilan ja diffuusioliike pysähtyy. Tällä hetkellä alue, jolla ei ole vapaita elektroneja ja reikiä, muodostuu risteysrajapinnasta, jota kutsutaan avaruusvarausalueeksi ja jota kutsutaan usein ehtymisvyöhykkeeksi. Jos elektrodit vedetään PN -risteyksen molemmissa päissä, diodi voidaan muodostaa - P -alueelta peräisin oleva elektrodi on anodi ja n -alueen elektrodi on katodi.

Jännitteen levittäminen diodin molemmille päille voi rikkoa alkuperäisen tasapainon diffuusiovoiman ja sähkökentän voiman välillä. Jos sovellettu jännite täyttää katodipotentiaalin korkeamman kuin anodipotentiaali, sovellettu jännite lisää sisäistä sähkökenttävoimaa, aiheuttaen kantajalle edelleen, että diffuusioliikettä ei voida suorittaa -, koska diffuusiovirtaa ei ole, diodi on leikkauksessa - tilassa. Päinvastoin, sovellettu jännite heikentää sisäistä sähkökenttävoimaa, kantaja alkaa diffundoida uudelleen ja diffuusiovirta syntyy diodin sisällä, jolloin diodi siirtyy johtamistilaan. Tämä kyky kytkeä päälle tai pois päältä käytetyn jännitteen kanssa tekee diodista yksisuuntaisen johtavan, mikä puolestaan ​​on keskeinen rooli piirissä. CMOS -prosessissa muodostetaan monen tyyppisiä PN -liitoksia, joita voidaan käyttää paitsi diodien valmistukseen integroiduissa piireissä, mutta myös sähköisen eristyksen saavuttamiseksi käänteisen esijännityksen tilassa.

5 - Valentin tai 3-valenttielementtien esittämistä puolijohteisiin kutsutaan dopingiksi, ja ionin implantaatio käyttää yleisesti dopingprosessia. Kun ionin implantointipitoisuus on alhainen, se on seostettu kevyesti (ilmaistaan ​​nimellä n⁻, n⁻ tai p⁻, p⁻); Kun ionin implantointipitoisuus on korkea, se on seostettu (ekspressoitu nimellä n⁺, n⁺ tai p⁺, p⁺). On selvää, että voimakkaasti seostettujen puolijohteiden johtavuus on parempi kuin kevyesti seostettujen puolijohteiden.

Kun paikallista raskasta dopingia suoritetaan suurella kevyen seosin alueen alueella, kevyttä seostettua aluetta kutsutaan yleensä substraatiksi ja raskasta doping -aluetta kutsutaan diffuusiovyöhykkeeksi (diffuusio) tai aktiiviseksi (aktiivinen). Puolijohdetyyppi diffuusiovyöhykkeellä ja substraatti voi olla sama (molemmat n - tyyppi tai p - tyyppi) tai erilainen (heteromorfismi). CMOS -prosessissa on kaksi tilannetta: homotyyppisten seoksen dopingia käytetään pääasiassa elektrodin kouluttamiseen ja yhteyden toteuttamiseen ohmisten kosketuksen kautta, ja erityistä - tyyppisiä dopingia käytetään pääasiassa MOS -laitteen ja substraatin välisen eristysrakenteen rakentamiseen.

Puolijohdelaitteet on johdettava elektrodista metallin läpi. Kun puolijohde joutuu kosketuksiin metallin kanssa, uudelleenkokous antaa elektronien tunnelia kosketusesteen läpi, mikä johtaa alhaiseen - vastusohmisiin koskettimiin, joita voidaan käyttää elektrodien aikaansaamiseen. Kevyen seoksen tapauksessa puolijohteen ja metallin välinen kosketuskestävyys on kuitenkin erittäin suuri, ja elektrodin liitäntävaikutus ei ole hyvä, joten sitä ei voida käyttää elektrodin johtamiseen. Siksi elektrodin poimia alhaisesta - -doping -substraatista substraatin on oltava paikallisesti uudelleen - seostettu isomorfismilla ja sitten metallielektrodi otetaan käyttöön.

Kuten kuviossa . 3 on esitetty, n - profiilirakenne ja metalli on kytketty ohmisella kosketuksella. N - ansoja seostetaan kevyesti n - -tyyppisiä puolijohteita, joita käytetään usein substraattina ja jotka on kytkettävä virtalähteen VDD: hen. Tehokkaan yhteyden saavuttamiseksi n - -sovelluksessa vaaditaan isomorfinen uudelleenmuotoilu N⁺ -diffuusioalueen muodostamiseksi, ottaen siten yhteyttä metalliin ohmien rakentamiseksi. On huomattava, että kuviossa 3 olevaa piidioksidia (SiO₂) käytetään eristyseristyksen saavuttamiseen metallin ja puolijohteen välillä, ja metallin ja n⁺ -diffuusioalueen välisen ohmisekontaktin muodostamiseksi on avattava reikiä SIO₂ -kerroksessa, joita kutsutaan kosketusreiteiksi.

Koska erityisten - -muotoisten ionien injektio voi muodostaa PN -liitäntädiodit diffuusioalueen ja substraatin välillä, saman substraatin useita diffuusioalueita voidaan eristää toisistaan ​​diodin avulla niin kauan kuin esijännitejännite on kohtuudella hallita niin, että diodi on aina käänteisessä puolueellisuustilassa. Kuten kuviossa . 4 on esitetty, kahden p⁺ -diffuusioalueen diodieristysprofiilirakenne on esitetty kuvassa . 4: kaksi p⁺ diffuusioaluetta n - kaivo muodostuu kaksi riippumatonta diodia, joiden n - -sovellus, ja n - -alueella, joka on kytketty korkeimpaan potentiaaliin VDD: n läpi, ja n}}} -alueella on kytkettynä. Varmista, että nämä kaksi diodia ovat aina käänteisessä esijännityksessä, ja ymmärrä sitten diodin eristäminen kahden p⁺ -diffuusioalueen välillä.

Samoin, jos p - -tyyppinen substraatti on kytketty pienimpaan potentiaaliseen GND: hen, diodin eristäminen useiden N⁺ -diffuusioalueiden välillä voidaan saavuttaa. Kuva . 5 näyttää n - -kaivoprosessin diodin eristysprofiilirakenteen, joka näyttää diodin eristysrakenteen kahden p⁺ diffuusiovyöhykkeen välillä ja kahden N⁺ diffuusiovyöhykkeen välillä. Koko kiekon substraatti kuvassa on p - -tyyppinen substraatti, ja n - ansa tehdään p - tyyppisubstraatin päälle. Yhdistettynä kuvion . 5 potentiaaliseen suhteeseen voidaan nähdä, että PN -liitos diodi n - -käyttöön ja p - -tyyppisubstraatin välillä on myös käänteisen taipumistilassa, joka varmistaa eristyksen n - kaivojen ja p - tyypin substraatin välillä. Tätä prosessia, joka sisältää vain N -ansoja ja joka ei aseta P -ansioita, kutsutaan n kaivoprosessiksi.

Kuten kuvassa . 6 a, jos kaksi p+ diffuusioaluetta injektoidaan n - -käyttöön tai kahteen n+ diffuusioalueeseen p - -tyyppisubstraattiin, kahden diffuusiovyöhykkeen välinen alue määritetään kanavaksi, ja kanava ja substraatti ovat kokonaisuudessaan. Substraattiin viitataan kirjaimella B, ja kanavan molemmin puolin olevia diffuusiovyöhykkeitä edustaa S ja D, jotka on kytketty metalliin kosketusreiän avulla. Tee metallielektrodi suoraan kanavan yläpuolelle, jota merkitään kirjaimella G. Yhdistettynä viikun . 6 sovellettuun jännitesuhteeseen, voidaan nähdä, että n - -käyttöön ja p - tyypin tyyppisen substraatin molempien sivujen ja diffuusiovyöhykkeen välisen pn -liitoksen diodin ja vastaavan substraatin kanssa. Kaikkia s ja d kuvassa ei suoriteta. On huomattava, että kuvassa on kaksi erillistä sarjaa S, D, G ja B samoja kirjaimia tässä vain helpottaaksesi MOS -putkitappien seuraavaa nimeämistä.

Kuviossa 6b kahden N+ diffuusioalueen välinen kanava kuuluu p - tyyppiseen substraattiin, joka on kytketty GND: hen. Tällä hetkellä, jos kanavan yläpuolelle kohdistetaan positiivinen jännite V₁, G: n ja kanavan välillä syntynyt sähkökenttä houkuttelee joitain elektroneja, jotka täyttävät kanavan reikiä. Jos v₁ on riittävän korkea, että elektronit jäävät reikän täyttämisen jälkeen, kanava muuttuu p - -tyyppistä n - -tyyppiin ja kytke sitten kaksi n+ diffuusioaluetta, niin että S ja D suoritetaan. Kun V₁: n jännite putoaa arvoon 0, kanava palaa p - -tyyppiin, eristäen S: stä uudelleen. Siksi S ja D vastaavat elektronisen kytkimen kahta päätä, ja niiden päälle/pois ja katkaisua ohjataan G.

Samalla tavoin kuvassa . 6 b kahden p+ diffuusioalueen välillä on n kaivo ja n kaivo on kytketty VDD: hen. Tässä vaiheessa VDD: n alapuolella oleva jännite V₂ kohdistetaan kanavan yläpuolelle G ja G: n ja kanavan välinen sähkökenttä hylkää kanavan elektronit. Kun V₂ on riittävän alhainen, ei vain vapaat elektronit hylätään kanavasta, vaan myös joissakin kovalenttisissa sidoissa elektroneja muodostaen reikiä kanavien sisällä. Tällä tavoin kanava muuttuu n - -tyyppiseksi p - muotoiltuksi, yhdistämällä kaksi p+ diffuusiovyöhykettä ja sallien S: n ja D: n johtamisen. Kun V₂: n jännite nousee uudelleen VDD: hen, kanava palaa N - -tyyppiin eristäen S: stä uudelleen, joten rakenne on myös g.

0040-35057 Rev.c -hitsaus, rakoventtiilin insertti, prosessikammio

CMO: t

Kanavan molemmilla puolilla olevia diffuusiovyöhykkeitä kutsutaan lähde (s) ja tyhjennys (d), ja kanavan yläpuolella olevaa elektrodilevyä kutsutaan portiksi (g), jotka yhdessä substraatin taustagaatin (b) kanssa muodostavat MOS -putken. Laitetta, joka koostuu kahdesta N+ -diffuusioalueesta ja niiden vastaavista porteista, kutsutaan NMOS -putkiksi, ja laitteita, jotka koostuvat kahdesta p+ diffuusioalueesta ja niiden vastaavia portteja kutsutaan PMOS -putkiksi, ja näiden kahden symbolit esitetään kuviossa . 6 c.

Varhaisten MOS -putkien porttimateriaali on alumiini, joka kuuluu metalliluokkaan. Piidioksidin ja kanavan välinen piidioksidi kuuluu oksidiin. Kanava kuuluu puolijohteeseen. Yhdistämällä kolmen englanninkielisen sanan metalli - oksidi - puolijohde antaa MOS: n (ts. Metalli - oksidi - puolijohde), minkä vuoksi MOS -putki nimetään. On huomautettava, että todellisessa prosessissa portin alapuolella olevan piidioksidikerroksen paksuuden on oltava pienempi kuin muiden alueiden paksuus.

MOS -putket voidaan yksinkertaisesti ymmärtää elektronisiksi kytkimiksi, joita ohjataan porttijänniteellä: NMOS -putket kytkeytyvät päälle, kun portin jännite on korkea ja PMOS -putket kytkeytyvät päälle, kun portin jännite on alhainen. Kuten kuviossa 7 esitetään, PMOS -putki ja NMOS -putki on kytketty sarjaan VDD: n ja GND: n välillä, ja kaksi porttia on kytketty toisiinsa syöttöportiksi A, ja kahden MOS -putken viemärit on kytketty toisiinsa, kun lähtöportti Y. Kun A on korkea, NMOS -putki on kytketty päälle, PMOS -putki katkaisee ja lähtö y vedetään alas. Kun A on matala, NMOS -putki on katkaistu, PMOS -putki kytketään päälle ja lähtö y vedetään ylös. Seurauksena A ja Y muodostavat käänteisen vaiheen, ja piiriä kutsutaan invertteriksi.

Kuvassa . 7 esitetyssä invertterissä, koska PMOS -putki on kytketty NMOS -putken porttiin ja kahden kytkemistä varten vaadittava porttijännite päälle on päinvastainen, NMOS -putki ja PMOS -putki ei kytke samaan aikaan, eikä virransyötön ja maan välillä ole virtaa, mikä on yhtä suuri kuin static -voimankulutus. Invertterin lisäksi NMOS -putki ja PMOS -putki voivat myös muodostaa useita muita logiikkaportteja, joilla ei myöskään ole tasavirtakulutusta staattisessa käyttötilassa. NMOS -putkien ja PMOS -putkien erittäin täydellisten komplementaaristen ominaisuuksien vuoksi kahdesta koostettu piiri on nimeltään komplementaarinen metalli - oksidi - puolijohde (CMOS).

0020-42287 levy perf 8inch ec wxz

Vaikka virtalähteen ja maan (ts. Staattisen virrankulutuksen) välillä ei ole suoraa virtausta, kun CMOS -logiikkaportti on levossa, logiikan porttitilan läppäjen aikana NMOS -putkessa ja PMOS -putkessa on lyhyt samanaikainen johtavuusilmiö, joka tuottaa tietyn dynaamisen voimankulutuksen. Lisäksi logiikkaporttien lataus- ja purkamiskondensaattorien lataus- ja purkamisprosessilla on myös virrankulutus. Koska nämä virrankulutukset liittyvät kaikki logiikkaportin kääntöön, mitä suurempi kellotaajuus on, sitä suurempi CMOS -piirin tehonkulutus; Nykyaikaisen suuren - asteikon integroidun piirin kellotaajuus on kuitenkin yleensä korkea, joten virrankulutuksen ja lämmön hajoamisongelmien ratkaiseminen on edelleen vaikea ongelma CMO: n integroidussa piirisuunnittelussa.

Kun CMOS -prosessi kehittyy edelleen Mooren lain mukaan, portin ja kanavan välisen piidioksidikerroksen paksuus vähenee edelleen ja portin vuotoilmiö muuttuu yhä vakavammaksi. Tämä ongelma ei ollut ilmeinen ennen syvää submikroniprosessivaihetta, mutta saapuessaan kymmeniin nanometrien prosessisolmuun, portin vuototehosta on tullut pääpiirin virrankulutuksen päälähde. Ennen syvää submikroniprosessivaihetta tarvitaan vain kelloportin sammuttamiseksi; Syvän submikroniprosessin jälkeen tilanne muuttuu - kellon sammuttamisen lisäksi syöttöjännitettä on kuitenkin vähennettävä tai substraattijännite on nostettava portin vuotovoiman kulutuksen minimoimiseksi. Integroiduiden piirien jatkuvan laajentumisen myötä virrankulutuksesta ja lämmön hajoamisesta on tullut pullonkauloja. Vain tekniikan innovaatioiden avulla voimme varmistaa Mooren lain jatkuvan etenemisen ja parantaa sirujen integraatiota edelleen.