Pooljuhid ja CMOS protsessid

Pooljuht ja CMO -dProcessid

Naturaalne liiv on rikas ränidioksiid (Sio₂), millest kõrge - puhtuse monokristalliline räni saab integreeritud vooluringide tootmiseks ekstraheerida. Monokristallilisel ränil on äärmiselt kõrge puhtusevajadus, mis peab jõudma enam kui 99,99999999% (st 9 9 s) ja räni aatomid tuleb paigutada vastavalt teemandist struktuurile, et moodustada kristalltuult. Kui kristalltuuma kristalltasandi orientatsioon on sama, saab moodustada monokristallilise räni; Kui kristalltasandi orientatsioon on erinev, moodustub polüsilicon.

Integreeritud vooluahelate tootmisel saab kasutada nii monokristallilist räni kui ka polüsilikooni, mille hulgas on peamiselt räni substraatide ehitamiseks kasutatud monokristallilist räni ja polüsilikooni saab kasutada selliste komponentide, näiteks väravate, polüsilikoontakiste või kondensaatori valmistamiseks.

Nagu on näidatud joonisel 1, on tootmisprotsess liivast kiibini järgmine: esiteks kasutatakse kvartsliiva toorainena üksikute kristallide räni valmistamiseks - kvartsliiva ränidioksiidi sisaldus on kõrgem kui tavalise liiva oma ja metallurgiakalakanal võib saada pärast töötlemist; seejärel metallurgiakvaliteediga räni puhastamine, rafineerimine ja deponeerimine polüsilikoni saamiseks; Joonistamisprotsessi kaudu saab polüsiliconi teisendada monokristalseteks räni valuplokkideks. Lõigake vahvlite saamiseks üksikud kristallide räni valuplokid õhukesteks lehtedeks. Igal vahvlil saab teha suure hulga integreeritud vooluahelaid, mis on viilutatud, testitud ja pakendatud integreeritud vooluahela (CHIP) toodete valmistamiseks.

Sisemised pooljuhid

Sisemised pooljuhid viitavad puhtatele kristallidele, mis ei ole lisaaine aatomid ja mis pole konstruktsioonide defektidest vabad. Germanium (GE) ja räni (SI) on mõlemad kvadivalentsed elemendid ja neid kasutatakse tavaliselt pooljuhtmaterjale. Sisemistes pooljuhtides, ehkki aatomite välimise kihi neli valentsulektronit võivad moodustada ümbritsevate aatomite välimiste elektronidega kovalentseid sidemeid, võivad soojuse või kerge energia ergastamise all olevad elektronid mõnede kovalentsete sidemete elektronid vabaneda kovalentsetest sidemetest ja seejärel moodustada juhtivate ribade elektronide ja valentsbändide augud ja Varieny, mis on Collection, mis on Collenty. Kuna sisemistes pooljuhtide kaks kandjat ilmuvad alati paarikaupa ja on termilise tasakaalu seisundis, saavad need kantud elektrivälja toimel liikuda suunavormi moodustamiseks suunas, nii et materjalil on teatud juhtivused, nii et seda tüüpi pooljuht nimetatakse sisemisse semikondiksit.

Kui sisemisele pooljuhile lisatakse teatud kogus spetsiifilisi lisaaine aatomeid, muudetakse see mitte - sisemiseks pooljuhiks. Nende hulgas nimetatakse pentavalentsete elementidega integreeritud sisemisi pooljuhte mitte - n - tüüpi pooljuhid ja selliseid pentavalentseid elemente nimetatakse doonori lisanditeks; Mitte - sisemisi pooljuhte, mis on ühendatud kolmevalentsete elementidega, nimetatakse p - tüüpi pooljuhid ja neid kolmevalentseid elemente nimetatakse vastavalt peremeesorganismi lisanditeks. Erinevalt sisemiste pooljuhtide termilisest tasakaalust olekust on mitte - sisemistes pooljuhtides kahte kandjat alati võrreldes võrratu seisundis: domineerivat kandjat nimetatakse enamuskandjaks (nimetatakse paljudeks) ja sekundaarset kandjat nimetatakse vähemuseks (nimetatakse vähesteks). Kuna n - tüüpi pooljuhid legeeritakse 5 - sõbrapäevaga, on nende motronid vabad elektronid; P-tüüpi pooljuhid on legeeritud kolmevalentsete elementidega ja nende molekulid on augud.

Sisemise pooljuhi sees on kahe kandja (juhtivad riba elektronid ja valentsriba augud) kontsentratsioonid termilises tasakaalus ja seda kontsentratsiooni nimetatakse sisemise kanduri kontsentratsiooniks. See kontsentratsioon ei ole konstantne, vaid sõltub pooljuhi spetsiifilisest materjalist ja temperatuurist, mille juures see asub -, seda suurem on temperatuur, seda suurem on sisemise kandja kontsentratsioon.

Non - sisemistes pooljuhtides on enamiku kandjate (polüfioon) kontsentratsioon umbes samaväärne lisandite dopingukontsentratsiooniga, tavaliselt mitu suurusjärku kõrgem kui sisemine kandja kontsentratsioon. Väikese arvu kandjate (vähe) kontsentratsioon on üldiselt madalam kui sisemiste kandjate kontsentratsioon ning nende kahe vahel on ka mitu suurusjärku erinevust. Seetõttu, võrreldes mitme - osakeste kontsentratsiooniga, on oligoptoniline kontsentratsioon äärmiselt madal, mis on enamiku arvutus- ja analüüsistsenaariumide korral tühine.

Vedaja toodab elektrivägede juhitud suundrifti liikumist. Nõrga elektrivälja keskkonnas on otsene proportsionaalne seos täidetud kandja keskmise ja elektrivälja tugevuse E vahel, mida väljendatakse kui

(kus proportsionaalset koefitsienti μ nimetatakse kanduri liikuvuseks, mida mõõdetakse sentimeetrites volti kohta, st, cm/(v · s)).

See kandja triivi liikumine võib moodustada triivivoolu ja triivivoolu suurus on positiivses korrelatsioonis kandja liikuvusega. Tuleb märkida, et kuigi aukude ja vabade elektronide tegelik triivisuund on elektrivälja jõu toimimisel vastupidine, on igaühe moodustatud triivivoolu suund täpselt sama, seega on pooljuhi sees olev üldine triivivool võrdne augu triivivoolu ja vaba elektronide triivivoolu superpositsiooniga.

Kui rakendatud elektrivälja tugevus on sama, seda suurem on pooljuhi triivivoolu tihedus, seda tugevam selle juhtivus. Edasine analüüs näitab, et triivi voolutihedus ei ole otseselt võrdeline kandja liikuvusega, vaid ka kandja kontsentratsiooniga. Kuigi sisemiste pooljuhtide kandja kontsentratsioon ei ole null ja võib elektriväljade toimel tekitada nõrku triivivoolusid, on mitte - sisemiste pooljuhtide multi {- alamkontsentratsioonid, mis on tavaliselt suuremad kui 4,0 -aastased suurusjärkud, mis teeb palju rohkem {{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{ kui sisemiste pooljuhtide oma. Seetõttu on sisemiste pooljuhtide triivivool tihedus tavaliselt triivivoolu arvutamisel tühine.

P-Tüüp ja n - Tüüp pooljuhid

Q - tänu sisemiste pooljuhtide äärmiselt väikese triivimistiheduse tõttu võib sisemisi pooljuhte pidada tavaliselt isolaatoriteks, võrreldes mitte - sisemiste pooljuhtidega. Seetõttu on integreeritud vooluahelate tegelikus tootmises kasutatavad pooljuhtide materjalid mitte - sisemised pooljuhid. Mitte - sisemiste pooljuhtide juhtivus on tihedalt seotud liikuvuse μ -ga: seda suurem on liikuvus, seda tugevam on pooljuhtide juhtivus ja seda kiiremini pooljuhtide tööde valmistatud seade.

Germaniumi (GE) ja räni (SI) kandja liikuvuse andmed on toodud tabelis 2 (kus vaba elektronide liikuvus on kirjutatud μn ja aukude liikuvus kirjutatakse μp -na). Nii GE kui ka SI vaba elektronide liikuvus μn on palju suurem kui aukude liikuvuse μp, seega toimib n - tüüpi semiconductor seadmed oluliselt paremini kui P - tüüpi semikonduktori seadmed võtmeinimestena, näiteks võimendus, sageduse omadused ja sõiduvõime.

Nagu on näidatud joonisel 2, kui n - tüüp semiconductor ja p - tüüpi pooljuht on tihedas kontaktis, moodustub nende kahe liides PN -ristmik. Ühendi piirkonnas difundeeruvad N -piirkonna vabad elektronid P piirkonnale, samal ajal kui P piirkonna augud hajuvad N piirkonda. Pärast selle difusiooni liikumist moodustub n -piirkonnast P -piirkonna liideses sisemine elektr väli. Kui sisemise elektrivälja tugevus järk -järgult suureneb, jõuavad lõplik difusioonijõud ja sisemine elektrivälja jõud tasakaalu olekusse ja difusiooni liikumine peatub. Sel ajal moodustub ristmiku liideses vabade elektronide ja aukudeta piirkond, mida nimetatakse kosmoselaengu piirkonnaks ja mida sageli nimetatakse kahanemistsooniks. Kui elektroodid tõmmatakse välja PN ristmiku mõlemas otsas, saab moodustada dioodi - P -piirkonna elektrood on anood ja N -piirkonna elektrood on katood.

Dioodi mõlemale otsale pinge rakendamine võib katkestusjõu ja elektriväljajõu vahelise algse tasakaalu rikkuda. Kui rakendatud pinge vastab katoodipotentsiaalile kõrgemale kui anoodipotentsiaal, suurendab rakendatud pinge sisemist elektrivälja jõu, põhjustades kandjat endiselt difusiooni liikumist -, kuna difusioonivoolu puudub, diood on - olekust välja lülitatud. Vastupidi, rakendatud pinge nõrgendab sisemist elektrivälja jõu, vedaja hakkab uuesti hajuma ja difusioonivool genereeritakse dioodi sees, sel hetkel siseneb diood juhtivuse olekusse. See võime rakendatud pingega sisse või välja lülitada muudab dioodi ühesuunalise juhtkonna, mis omakorda mängib vooluringi võtmerolli. CMOS -protsessis moodustuvad mitut tüüpi PN -ristmikke, mida saab kasutada mitte ainult integreeritud vooluahelates dioodide tootmiseks, vaid ka elektrilise isolatsiooni saavutamiseks vastupidises eelarvamuses olevate seadmete vahel.

5 - valent- või 3-valentsete elementide tutvustamise protsessi nimetatakse dopinguks ja dopinguprotsessi kasutab tavaliselt ioonide implanteerimine. Kui ioonide implantatsiooni kontsentratsioon on madal, on see kergelt legeeritud (väljendatud n⁻, n⁻ või p⁻, p⁻); Kui ioonide implantatsiooni kontsentratsioon on kõrge, on see legeeritud (väljendatud n⁺, n⁺ või p⁺, p⁺). Ilmselt on tugevalt legeeritud pooljuhtide juhtivus parem kui kergelt legeeritud pooljuhtide oma.

Kui kohalikku rasket dopingut viiakse läbi suures piirkonnas kerges piirkonnas, nimetatakse kerget legeeritud ala tavaliselt substraadiks ja rasket dopingupiirkonda nimetatakse difusioonvööndiks (difusioon) või aktiivseks (aktiivseks). Difusioonvööndis ja substraadis pooljuhtide tüüp võib olla sama (nii n - tüüp kui ka p - tüüp) või erinevad (heteromorfism). CMOS -protsessis on kaks olukorda: homotüübi dopingut kasutatakse peamiselt elektroodi harimiseks ja ühenduse realiseerimiseks ORMIC -kontakti kaudu ning spetsiaalset - tüüpi dopingut kasutatakse peamiselt isolatsioonistruktuuri konstrueerimiseks MOS -seadme ja substraadi vahel.

Pooljuhtide seadmeid tuleb elektroodist välja viia metalli kaudu. Kui pooljuht puutub kokku metalliga, võimaldab Redoping elektronidel kontaktbarjääri kaudu tunneldada, mille tulemuseks on madal - takistus OHMIC -kontaktid, mida saab kasutada elektroodide esilekutsumiseks. Kuid kerge dopingu korral on pooljuhi ja metalli vaheline kontakttakistus äärmiselt suur ning elektroodi ühendusefekt pole hea, seega ei saa seda kasutada elektroodi väljalülitamiseks. Seetõttu tuleb elektroodi ekstraheerimiseks madalast - dopingusubstraadist, substraati tuleb lokaalselt uuesti - lehvitada isomorfismiga ja seejärel tutvustatakse metallielektroodi.

Nagu on näidatud joonisel . 3, on n - profiilstruktuur kaevu ja metall ühendatakse ORMIC kontaktiga. N - püünised on kergelt legeeritud n - tüüpi pooljuhid, mida sageli kasutatakse substraatidena ja mis tuleb ühendada toiteallika VDD -ga. Tõhusa ühenduse saavutamiseks on N - kaevu vajalik isomorfne redigeerimine N⁺ difusioonipiirkonna moodustamiseks, kontakteerudes sellega metalli, et ehitada oomi. Tuleb märkida, et joonisel 3 esitatud ränidioksiid (SiO₂) kasutatakse isolatsiooni eraldatuse saavutamiseks metalli ja pooljuhtide vahel ning selleks, et moodustada metalli ja n⁺ difusioonipiirkonna vahel oomilist kontakti, tuleb SiO₂ kihis avada augud, mida nimetatakse kontaktiaukudeks.

Kuna spetsiaalsete -} ioonide süstimine võib moodustada Difusioonipiirkonna ja substraadi vahel PN -ristmiku dioodid, saab sama substraadi mitmeid difusioonipiirkondi dioodiga üksteisest eraldada, kui kallutatus on mõistlikult kontrollitud, nii et dioodi on alati tagurpidi biase olekus. Nagu on näidatud joonisel . 4, on kahe p⁺ difusioonipiirkonna dioodi isolatsiooniprofiili struktuur näidatud joonisel . 4: N {- kaks P⁺ difusioonipiirkonda moodustavad hästi kaks sõltumatut dioodiga, mille n- on läbi n {6 {6}, mis on ühendatud, kui n -l on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud, mis on ühendatud. Piirkond, mis suudab tagada, et kaks dioodi on alati vastupidises eelarvamuses, ja realiseerida seejärel dioodi eraldatust kahe p⁺ difusioonipiirkonna vahel.

Sarnaselt, kui p - tüüpi substraat on ühendatud madalaima potentsiaalse GND -ga, on võimalik saavutada dioodi eraldamine mitme N⁺ difusioonipiirkonna vahel. Joonisel . 5 näitab N - kaevuprotsessi dioodi eraldamise profiili struktuuri, mis näitab dioodi isolatsioonistruktuuri kahe p⁺ difusioonitsooni ja kahe N⁺ difusioonitsooni vahel. Joonisel oleva kogu vahvli substraat on p - tüüpi substraat ja n - lõks tehakse p {- tüübi substraadi peal. Kombineerituna joonisel . 5 potentsiaalse seosega on näha, et PN -ristmiku diood N - kaevu ja p - tüüpi substraadi vahel on ka vastupidises deflektsiooni olekus, mis tagab isolatsiooni n - hästi ja P {{13} vahel. Seda protsessi, mis sisaldab ainult n püünist ja ei sea p -püüniseid, nimetatakse N kaevuprotsessiks.

Nagu on näidatud joonisel . 6 a, kui N - kaevu süstitakse kahte P+ difusioonipiirkonda või süstitakse P {{- tüüpi substraadi, on kahe difusioonitsooni vahelise kanalina ja kanalitena määratletud piirkond, mis on kanal ja mis on terved, piirkond ja kaks N+ difusioonipiirkonda. Substraadile viidatakse tähega B ja kanali mõlemal küljel olevad difusioonitsoonid tähistavad S ja D, mis on metalliga ühendatud kontaktiaukudega. Tehke metallielektrood otse kanali kohal, mida tähistatakse tähega G. Koos joonisel . 6 rakendatud pingesuhtega, on näha, et N - kaevu vaheline PN -ristmiku diood ja P- tüüpi substraadi p - substraadil on kanalit ja difusioonis. olekuga, nii et kõiki joonisel olevaid S ja D ei tehta. Tuleb märkida, et joonisel on kaks eraldi S, D, G ja B komplekti, kasutades siin samu tähti, lihtsalt selleks, et hõlbustada MOS -i torunööride järgnevat nimetamist.

Joonisel 6b kuulub kanal kahe N+ difusioonipiirkonna vahel P - tüüpi substraadile, mis on ühendatud GND -ga. Sel ajal, kui kanali kohal rakendatakse G -le positiivset pinget v₁, meelitab G ja kanali vahel genereeritud elektr välja mõned elektronid, mis täidavad kanali augud. Kui V₁ on piisavalt kõrge, et elektronid jäävad pärast augu täitmist, muutub kanal p - tüübilt n - tüübiks ja ühendage seejärel kaks N+ difusioonipiirkonda, nii et s ja d viiakse läbi. Kui V₁ pinge langeb 0 -ni, naaseb kanal P - tüübile, isoleerides s uuesti D -st. Seetõttu on S ja D samaväärsed elektroonilise lüliti kahe otsaga ning nende sisse- ja väljalülitamise ja lahtiühendamise kontrollib G.

Samamoodi on joonisel . 6 b n -püünis kahe p+ difusioonipiirkonna vaheline kanal N -kaevu ja N -kaev on ühendatud VDD -ga. Sel hetkel rakendatakse kanali kohal G -le V -i allpool pinget V₂ ja G ja kanali vaheline elektriväli tõrjub kanali elektronid. Kui V₂ on piisavalt madal, tõrjutakse kanalist välja mitte ainult vabad elektronid, vaid ka elektronid mõnes kovalentses sidemes, moodustades kanalites auke. Sel moel muutub kanal n - tüübilt P - kujuga, ühendades kaks P+ difusioonitsooni ja võimaldades S ja D läbi viia. Kui V₂ pinge tõuseb uuesti VDD -le, naaseb kanal N - tüübile, isoleerides s uuesti D -st, nii et struktuur on ka elektrooniline lüliti, mida juhib G.

0040-35057 Rev.C keevisõmblus, piluklapi sisestus, protsessikamber

CMOS

Difusioonitsoone kanali mõlemal küljel nimetatakse allikaks (d) ja äravooluks (D) ning kanali kohal asuvat elektroodiplaati nimetatakse väravaks (g), mis koos substraadi seljaluuga (b) moodustavad MOS -toru. Kahest N+ difusioonipiirkonnast ja nende vastavatest väravatest koosnevat seadet nimetatakse NMOS -torudeks ning kahest P+ difusioonipiirkonnast ja nende vastavatest väravatest koosnevaid seadmeid nimetatakse PMOS -torudeks ning nende kahe sümbolid on näidatud joonisel . 6 c.

Varase MOS -torude väravamaterjal on alumiinium, mis kuulub metalli kategooriasse. Värava ja kanali vaheline ränidioksiid kuulub oksiidi. Kanal kuulub pooljuht. Kolme ingliskeelse sõna initsiaalide kombineerimine metall - oksiid - semiconductor annab mos (st metal - oksiid {- pooljuht), mistõttu MOS -i toru nimetatakse. Tuleks rõhutada, et tegeliku protsessi käigus peab värava all oleva ränidioksiidi kihi paksus olema väiksem kui teistel aladel.

MOS -torusid saab lihtsalt mõista kui väravapinge abil juhitavaid elektroonilisi lülitid: NMOS -torud lülituvad sisse, kui väravapinge on kõrge, ja PMOS -torud lülituvad sisse, kui värava pinge on madal. Nagu on näidatud joonisel 7, on PMOS -i ja NMOS -toru ühendatud jadana VDD ja GND vahel ning kaks väravat on ühendatud sisendpordiks A -na ja kahe MOS -toru kanalisatsiooni ühendatakse omavahel väljundpordina Y. Kui A on kõrge, on NMOS -toru sisse lülitatud, PMOS -i toru on välja lülitatud ja välja lülitatud. Kui a on madal, on NMOS -toru katkestatud, PMOS -toru lülitatakse sisse ja väljund Y tõmmatakse üles. Selle tulemusel moodustavad A ja Y pöördfaasi ja vooluahelat nimetatakse muunduriks.

Joonisel . 7 näidatud inverteris, kuna PMOS -toru on ühendatud NMOS -toru väravaga ja nende kahe sisselülitamiseks vajalik väravapinge on vastas, NMOS -i toru ja PMOS -i toru ei lülitata samal ajal vooluhulga ja maapinna vahelise voolu vahelise voolu vahel. Lisaks muundurile võivad NMOS -i toru ja PMOS -toru moodustada ka mitmesuguseid muid loogikaväravaid, millel pole ka staatilises tööseisundis alalisvoolu energiatarbimist. NMOS -i torude ja PMOS -torude äärmiselt täiuslike täiendavate omaduste tõttu nimetatakse neist kahest koosnevat vooluahelat täiendavaks metallist - oksiid - pooljuht (CMOS).

0020-42287 Plaat Perf 8inch EC WXZ

Ehkki toiteallika ja maapinna (st staatilise energiatarbimise puudumise) vahel pole otsest voolu, kui CMOS -i loogikavärav on puhkeasendis, on loogikavärava oleku libisemise ajal NMOS -toru ja PMOS -torul lühike samaaegne juhtivuse nähtus, mis loob teatud dünaamilise energiatarbimise. Lisaks sellele tekivad loogikaväravate poolt laadimispaatide laadimise ja tühjendamise protsess ka energiatarve. Kuna need energiatarved on seotud loogikavärava libistamisega, seda suurem on kellasagedus, seda suurem on CMOS -ahela energiatarve; Kaasaegsete - integreeritud vooluahelate kellasagedus on üldiselt kõrge, nii et energiatarbimise ja soojuse hajumise probleemide lahendamine on CMOS -i integreeritud vooluahela kujundamisel endiselt keeruline probleem.

Kuna CMOS -protsess areneb vastavalt Moore'i seadustele, väheneb värava ja kanali vahelise ränidioksiidi kihi paksus ja värava lekke nähtus muutub üha tõsisemaks. See probleem ei olnud ilmne enne sügava submikroni protsessi etappi, kuid pärast nanomeetrite protsessisõlme sisenemist on värava lekkevõimsus muutunud kogu vooluahela kogu energiatarbimise peamiseks allikaks. Enne sügavat submikroni protsessi etappi on vooluahela sulgemiseks vaja ainult kella väravat; Kuid pärast sügavat submikroniprotsessi muutub olukord - lisaks kella sulgemisele tuleb toitepinge vähendada või substraadi pinget tuleb tõsta, et minimeerida värava lekke energiatarbimist. Integreeritud vooluringide skaala pideva laienemisega on energiatarve ja soojuse hajumine muutunud konstruktsiooni kitsaskohtadeks. Ainult tehnoloogilise uuenduse kaudu saame tagada Moore'i seaduse pideva edenemise ja veelgi parandada laastude integreerimist.