Félvezető és CMOS folyamatok

Félvezető és CMOProcesses

A természetes homok gazdag szilícium -dioxidban (SIO₂), amelyből magas - tisztaságú monokristályos szilíciumot lehet extrahálni az integrált áramkörök előállításához. A monokristályos szilícium rendkívül magas tisztasági követelményekkel rendelkezik, amelyeknek több mint 99,99999999% -ot kell elérniük (azaz 9 9 s), és a szilícium -atomokat a gyémántszerkezet szerint kell elrendezni, hogy kristálymagot képezzenek. Ha a kristálymag kristály sík orientációja azonos, monokristályos szilícium képződik; Ha a kristálysík tájolása eltérő, akkor poliszilikon alakul ki.

Mind a monokristályos szilícium, mind a poliszilikon felhasználható az integrált áramkörök gyártásában, amelyek között a monokristályos szilíciumot főként szilícium -szubsztrátok készítésére használják, és a poliszilikon olyan alkatrészek előállításához használható, mint például kapuk, poliszilikon ellenállók vagy MOS szövék képkapacitái.

Amint az az 1. ábrán látható, a homoktól a chipekig tartó gyártási folyamat a következő: Először is, a kvarc homokot alapanyagként használják az egykristályos szilícium előkészítéséhez - A kvarc homok szilícium -dioxid -tartalma magasabb, mint a szokásos homoké, és a fémkohászati ​​minőségű szilícium beszerezhető a kezelés finomítása után; majd a fémkohászati ​​fokú szilícium megtisztítása, finomítása és lerakása poliszilikon előállításához; A rajz eljárása révén a poliszilikon konvertálható monokristályos szilíciumrétegekké. Vágja az egykristályos szilícium rúd vékony lapokra, hogy ostyákat kapjon. Számos integrált áramköri hígítást lehet készíteni minden ostyán, amelyeket szeletelnek, tesztelnek és csomagolnak, hogy integrált áramköri chip (chip) termékeket készítsenek.

Belső félvezetők

A belső félvezetők tiszta kristályokra utalnak, amelyek mentesek a szennyeződéses atomoktól és a szerkezeti hibáktól mentesek. A germánium (GE) és a szilícium (SI) egyaránt négyértékű elemek, és általában félvezető anyagok. A belső félvezetőkben, bár az atomok legkülső rétegén lévő négy valencia -elektron kovalens kötéseket képezhet a környező atomok legkülső elektronjaival, hő- vagy fényenergia gerjesztése alatt, az elektronok egyes kovalens kötéseiben megszabadulhatnak a kovalens kötésektől, majd vezető elektronok és valencia sávok, amelyek kollektumosan hordozók. Mivel a belső félvezetők két fuvarozója mindig párban jelenik meg, és hőkezlőképességben vannak, egy alkalmazott elektromos mező hatása alatt, ezek a hordozók irányítottan mozoghatnak, hogy elektromos áramot képezzenek, így az anyagnak bizonyos vezetőképessége van, így az ilyen típusú félhordozót belső félvezetőnek nevezik.

Ha bizonyos mennyiségű specifikus szennyeződés -atomot adnak a belső félvezetőhöz, akkor azt nem - belső félvezetővé alakítják. Közülük a nem - nem pentavalent elemekkel beépített belső félvezetőket N - típusú félvezetőknek nevezzük, és az ilyen pentavalent elemeket donor szennyeződéseknek nevezzük; Nem - A háromértékű elemekkel beépített belső félvezetőket P - típusú félvezetőknek nevezzük, és ezeket a háromértékű elemeket ennek megfelelően gazdaszervezet -szennyeződéseknek nevezzük. A belső félvezetők termikus egyensúlyi állapotától eltérően, a nem - belső félvezetőkben a két hordozó mindig egyensúlyi állapotban van: a domináns hordozót többségi hordozónak nevezik (a soknak nevezik), és a másodlagos hordozót kisebbségi hordozónak hívják (a kevés). Mivel az N - típusú félvezetőket 5 - valent elemekkel adagolják, a momotronok szabad elektronok; A P-típusú félvezetőket háromértékű elemekkel adalékolják, és molekuláik lyukak.

A belső félvezető belsejében a két hordozó (vezetőképes sávú elektronok és valencia sáv lyukak) koncentrációja a termikus egyensúlyban megegyezik, és ezt a koncentrációt a belső hordozó koncentrációjának nevezzük. Ez a koncentráció nem állandó, de a félvezető specifikus anyagától és annak hőmérsékletétől függ, amelyen - minél magasabb a hőmérséklet, annál magasabb a belső hordozó koncentrációja.

Nem - belső félvezetőkben a legtöbb hordozó (polipion) koncentrációja nagyjából megegyezik a szennyeződések doppingkoncentrációjával, általában több nagyságrenddel magasabb, mint a belső hordozó koncentrációja. Kis számú hordozó koncentrációja (kevés) általában alacsonyabb, mint a belső hordozók, és a kettő között számos nagyságrendű különbség van. Ezért a multi - részecskekoncentrációhoz képest az oligoptonikus koncentráció rendkívül alacsony, ami a legtöbb számítási és elemzési forgatókönyvben elhanyagolható.

A hordozó az elektromos terepi erők által vezetett irányított sodródási mozgást eredményez. Gyenge elektromos mező környezetben a közvetlen arányos kapcsolat teljesül a hordozó átlagos V -sel és az E elektromos mező szilárdságában, amelyet kifejeznek

(ahol a μ arányos együtthatót a hordozó mobilitásának nevezzük, amelyet centiméterenként mérnek másodpercenként, azaz cm/(v · s)).

A hordozónak ez a sodródási mozgása drift -áramot képezhet, és a sodródási áram nagysága pozitívan korrelál a hordozó mobilitásával. Meg kell jegyezni, hogy noha a lyukak és a szabad elektronok tényleges sodródási iránya ellentétes az elektromos mező erő hatására, az egyesek által kialakított sodródási áram iránya pontosan megegyezik, tehát a félvezető belsejében lévő teljes sodródási áram megegyezik a lyuk drift -áram és a szabad elektron sodródási áram szuperpozíciójával.

Ha az alkalmazott elektromos mező szilárdsága megegyezik, annál nagyobb a félvezető sodródási áram sűrűsége, annál erősebb vezetőképessége. A további elemzés azt mutatja, hogy a sodródásáram sűrűsége nem csak közvetlenül arányos a hordozó mobilitásával, hanem a hordozó koncentrációjával is. Noha a belső félvezetők hordozókoncentrációja nem nulla, és az elektromos mezők hatása alatt gyenge sodródási áramokat eredményezhet, a nem - multi - alkoncentrációi általában sok sorrendben magasabbak, mint az intrinsic hordozó koncentrációja, amely a nem-} intrinikus félrementumok nagyobb mértékű, mint a nem- intrinalis; félvezetők. Ezért a belső félvezetők sodródási áram sűrűsége általában elhanyagolható a sodródási áram kiszámításakor.

P-Típus és n - Type Semiconductors

Q - A belső félvezetők rendkívül kicsi sodródási áram sűrűsége miatt a belső félvezetők általában szigetelőknek tekinthetők, mint a nem- belső félvezetőkhez képest. Emiatt az integrált áramkörök tényleges gyártásához használt félvezető anyagok nem - belső félvezetők. A nem - belső félvezetők vezetőképessége szorosan kapcsolódik a mobilitási μ mobilitáshoz: Minél nagyobb a mobilitás, annál erősebb a félvezető vezetőképessége, és minél gyorsabban készítik a félvezetőre készített eszköz.

A germánium (GE) és a szilícium (SI) hordozó mobilitási adatait a 2. táblázat mutatja (ahol a szabad elektronmobilitást μN -ként írják, és a lyuk mobilitását μP -ként írják). A GE és az SI szabad elektronmobilitása sokkal nagyobb, mint a μp lyukak mobilitása, tehát n - típusú félvezető eszközök szignifikánsan jobban teljesítenek, mint a P - típusú félvezető eszközök, például a nyereség, a nyereség, a frekvenciajellemzők és a vezetési képesség.

Amint az a 2. ábrán látható, amikor az N - típusú félvezető és a P - típusú félvezető típusa szoros érintkezésben van, a kettő közötti felületen PN -csomópont alakul ki. A csomóponti régióban az N régióban a szabad elektronok diffundálnak a P régióval, míg a P régió lyukai diffundálnak az N régióba. Miután ez a diffúziós mozgás bekövetkezik, belső elektromos mező alakul ki az N régió és a P régió közötti felületen. Ahogy a belső elektromos mező erőssége fokozatosan növekszik, a végső diffúziós erő és a belső elektromos mező erő egyensúlyi állapotot ér el, és a diffúziós mozgás leáll. Ebben az időben egy szabad elektronok és lyukak nélküli régió alakul ki a kereszteződés felületén, amelyet űr töltés régiónak hívnak, és amelyet gyakran kimerülési zónának hívnak. Ha az elektródokat a PN csomópont mindkét végén húzzák ki, akkor dióda képződik - Az elektród a P régióból az anód, és az N régióból származó elektróda a katód.

A feszültség alkalmazása a dióda mindkét végére megszakíthatja az eredeti egyensúlyt a diffúziós erő és az elektromos mező erő között. Ha az alkalmazott feszültség megfelel az anódpotenciálnál magasabb katódpotenciálnak, akkor az alkalmazott feszültség növeli a belső elektromos terepi erőt, ami miatt a hordozó továbbra sem képes a diffúziós mozgás végrehajtására -, mivel nincs diffúziós áram, a dióda egy - off állapotban van. Éppen ellenkezőleg, az alkalmazott feszültség gyengíti a belső elektromos mező erőt, a hordozó újra elkezdi diffundálni, és a diódában a diffúziós áram jön létre, ahol a dióda belép a vezetési állapotba. Ez a képesség, hogy az alkalmazott feszültséggel bekapcsoljon vagy kikapcsoljon, a dióda egyirányú vezetőképessé teszi, ami viszont kulcsszerepet játszik az áramkörben. A CMOS eljárás során többféle PN -csomópont alakul ki, amely nemcsak az integrált áramkörök diódainak előállítására használható, hanem az eszközök közötti elektromos elszigeteltség elérésére is.

Az 5 - Valent vagy 3-Valent elemek félvezetőkbe történő bevezetésének folyamatát doppingnek nevezzük, és a dopping folyamatot általában az ionimplantáció használja. Ha az ionimplantációs koncentráció alacsony, akkor enyhén adalékolt (N⁻, N⁻ vagy P⁻, P⁻ -ként fejezhető ki); Ha az ionimplantációs koncentráció magas, akkor He-adalékolt (N⁺, N⁺ vagy P⁺, P⁺). Nyilvánvaló, hogy az erősen adalékolt félvezetők vezetőképessége jobb, mint az enyhén adalékolt félvezetőké.

Amikor a helyi nehéz doppingot a fény doppingterületének nagy területén hajtják végre, a könnyű doppelt területet általában szubsztrátnak nevezik, és a nehéz doppingterületet diffúziós zónának (diffúzió) vagy aktív (aktív) nevezzük. A diffúziós zónában és a szubsztrátban a félvezető típusának típusa lehet azonos (mind n - típusú vagy p - típus) vagy eltérő (heteromorfizmus). A CMOS folyamatban két helyzet van: a homotípus -doppingot elsősorban az elektróda oktatására és a kapcsolat felismerésére használják az Ohmic Contact -on keresztül, és a speciális - típusú doppingot elsősorban a MOS -eszköz és a szubsztrát közötti izolációs struktúra kialakítására használják.

A félvezető eszközöket a fémen keresztül ki kell vezetni az elektródból. Amikor egy félvezető érintkezésbe kerül egy fémkel, a redoping lehetővé teszi az elektronok számára, hogy az érintkezési gáton átmenjenek, ami alacsony - ellenállású ohmikus érintkezőket eredményez, amelyek felhasználhatók az elektródok kiváltására. Könnyű dopping esetén azonban a félvezető és a fém közötti érintkezési ellenállás rendkívül nagy, és az elektróda -csatlakozás hatása nem jó, tehát nem használható az elektród kiszállítására. Ezért az elektród kinyeréséhez az alacsony - dopping szubsztrátból, a szubsztrátot lokálisan újra kell tenni - izomorfizmussal, majd a fém elektródot be kell vezetni.

Amint az a . 3. N - A csapdák enyhén doppedálva n - típusú félvezetők, amelyeket gyakran szubsztrátként használnak, és csatlakoztatni kell a VDD tápegységhez. A hatékony kapcsolat elérése érdekében izomorf redopingra van szükség az N - kútban az N⁺ diffúziós régió kialakításához, ezáltal kapcsolatba lépve az ohm felépítéséhez. Meg kell jegyezni, hogy a 3. ábrán látható szilícium -dioxidot (SIO₂) a fém és a félvezető közötti szigetelés elkülönítésére használják, és hogy ohmikus érintkezést képezzenek a fém és az N⁺ diffúziós régió között, lyukakat kell kinyitni a Sio₂ rétegben, amelyeket érintkezési lyukaknak hívnak.

Mivel a speciális - alakú ionok befecskendezése PN csomópont -diódákat képezhet a diffúziós régió és a szubsztrát között, ugyanazon a szubsztráton több diffúziós régió elkülöníthető a dióda által, mindaddig, amíg a torzítás feszültségét ésszerűen ellenőrzik, hogy a dióda mindig a fordított elfogult állapotban legyen. Amint az a . 4. A régió, amely biztosítja, hogy a két dióda mindig fordított torzulási állapotban legyen, majd felismerje a két P⁺ diffúziós régió közötti dióda elkülönítését.

Hasonlóképpen, ha a P - típusú szubsztrát a legalacsonyabb potenciális GND -hez kapcsolódik, akkor a több N⁺ diffúziós régió közötti dióda -izoláció érhető el. A . 5 ábra az N - kút folyamat dióda -izolációs profilszerkezetét mutatja, amely a két P⁺ diffúziós zóna és a két N⁺ diffúziós zóna közötti dióda -izolációs struktúrát mutatja. A teljes ostya szubsztrátja az ábrán egy p - típusú szubsztrát, az N- csapda a P - típusú szubsztrát tetején készül. A . 5 ábrán látható potenciális kapcsolattal kombinálva látható, hogy az N - kút közötti PN csomópont -dióda és a P - típusú szubsztrát szintén a fordított eltérési állapotban van, amely biztosítja az n {-}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {{13} szigetelést. Ezt a folyamatot, amely csak N csapdákat tartalmaz, és nem állít be P csapdákat, N Well folyamatnak nevezzük.

Amint az a . 6 a. A szubsztrátot a B betű utalja, és a csatorna mindkét oldalán lévő diffúziós zónákat S és D képviseli, amelyeket a fémhez érintkezési lyukak csatlakoztatnak. Készítsen egy fém elektródot közvetlenül a csatorna felett, amelyet a G betű jelöl. Az elfogultság állapotát, tehát az ábrán minden S és D nem történik. Meg kell jegyezni, hogy az ábrán két különálló S, D, G és B sorozat van, ugyanazokat a betűkkel itt, csak hogy megkönnyítsék a MOS -csőcsapok későbbi elnevezését.

A 6b. Ábrán a két N+ diffúziós régió közötti csatorna egy P - típusú szubsztráthoz tartozik, amely a GND -hez kapcsolódik. Ebben az időben, ha pozitív V₁ -feszültséget alkalmaznak a csatorna felett G -re, akkor a G és a csatorna közötti elektromos mező vonzza az elektronokat, amelyek kitöltik a csatornán lévő lyukakat. Ha a V₁ elég magas ahhoz, hogy az elektronok maradjanak a lyuk kitöltése után, akkor a csatorna p - típusról N - típusra változik, majd csatlakoztassa a két N+ diffúziós régiót, hogy S és D legyen. Amikor a V₁ feszültsége 0 -ra csökken, a csatorna visszatér a P - típushoz, az S -tól ismét elkülönítve. Ezért az S és D egyenértékű az elektronikus kapcsoló két végével, és azok be- és kikapcsolását és leválasztását a G feszültsége szabályozza.

Ugyanígy az N -csapda két P+ diffúziós régiója közötti csatorna a . 6 B ábrán az N kút, és az N kút csatlakozik a VDD -hez. Ezen a ponton a VDD alatti V₂ alatti feszültséget a csatorna felett G -re kell alkalmazni, és a G és a csatorna közötti elektromos mező az elektronokat tárolja a csatornán. Ha a V₂ elég alacsony, akkor a szabad elektronokat nemcsak a csatornából tagadják ki, hanem néhány kovalens kötésben az elektronokat is, amelyek lyukakat képeznek a csatornákon belül. Ilyen módon a csatorna N - típusról p - alakúvá vált, összekapcsolva a két P+ diffúziós zónát, és lehetővé teszi az S és D viselkedését. Amikor a V₂ feszültsége ismét a VDD -re emelkedik, a csatorna visszatér az N - típushoz, az S -t ismét elkülönítve, tehát a szerkezet egy olyan elektronikus kapcsoló is, amelyet G.

0040-35057 Rev.C hegesztés, hasított szelep betét, folyamatkamra

CMO

A csatorna mindkét oldalán lévő diffúziós zónákat forrás (ok) és lefolyó (D) nevezzük, és a csatorna feletti elektródlemezt Gate (G) -nek nevezzük, amely a szubsztrát backgate (b) -jével együtt a MOS -csövet alkotja. A két N+ diffúziós régióból és a megfelelő kapukból álló eszközt NMOS csöveknek nevezzük, és a két P+ diffúziós régióból álló eszközöket, a megfelelő kapuk és azok megfelelő kapuját PMOS -csöveknek nevezzük, és a kettő szimbólumait a. 6 c. Ábra mutatja.

A korai MOS csövek kapu anyaga alumínium, amely a fém kategóriájához tartozik. A kapu és a csatorna közötti szilícium -dioxid az oxidhoz tartozik. A csatorna a félvezetőhöz tartozik. A három angol szó kezdőbetűi kombinálása metal - oxid - félvezető ad MOS -t (azaz fém - oxid - félvezető), ezért a MOS -csövet nevezik. Hangsúlyozni kell, hogy a tényleges folyamatban a kapu alatti szilícium -dioxidréteg vastagságának kevesebbnek kell lennie, mint más területeké.

A MOS csövek egyszerűen megérthetők, mint a kapu feszültség által vezérelt elektronikus kapcsolók: Az NMOS csövek bekapcsolnak, amikor a kapu feszültsége magas, és a PMOS csövek bekapcsolnak, amikor a kapu feszültsége alacsony. A 7. ábrán látható, a PMOS -cső és az NMOS cső sorozatban van csatlakoztatva a VDD és a GND között, és a két kapu az A bemeneti portként van összekapcsolva, és a két MOS cső csatornája az Y kimeneti portként van összekapcsolva. Ha a NMOS cső be van kapcsolva, a PMOS csövet levágják, és a kimenetet lefelé húzzák. Ha a alacsony, az NMOS csövet levágják, a PMOS cső be van kapcsolva, és az Y kimenetet fel kell húzni. Ennek eredményeként A és Y inverz fázist képez, és az áramkört inverternek nevezzük.

A . 7 ábrán látható inverterben, mivel a PMOS csövet az NMOS -cső kapujához csatlakoztatják, és a beállításhoz szükséges kapu feszültsége ellentétes, az NMOS cső és a PMOS cső nem kapcsolódik be ugyanabban az időben, és nincs áram áramlás az áramellátás és a talaj között, ami nem egyenértékű stataeljesítmény -fogyasztás. A frekvenciaváltó mellett az NMOS -cső és a PMOS cső különféle más logikai kapukat is képezhet, amelyek statikus működési állapotban sem vannak egyenáramú energiafogyasztás. Az NMOS csövek és PMOS csövek rendkívül tökéletes komplementer tulajdonságai miatt a kettőből álló áramkört komplementer fém - oxid - Semiconductor (CMOS) neve.

0020-42287 PLAK PERF 8inch EC WXZ

Noha az áramellátás és a talaj között nincs közvetlen áramlás (azaz nincs statikus energiafogyasztás), amikor a CMOS logikai kapu nyugalmi állapotban van, a logikai kapu állapotának megfordítása során az NMOS cső és a PMOS cső rövid egyidejű vezetési jelenséggel rendelkezik, amely bizonyos dinamikus energiafogyasztást eredményez. Ezenkívül a logikai kapuk által a terhelési kondenzátorok töltésének és kiürítésének folyamata szintén energiafogyasztást eredményez. Mivel ezek az energiafogyasztás mind a logikai kapu megfordításához kapcsolódik, annál nagyobb az órafrekvencia, annál nagyobb a CMOS áramkör energiafogyasztása; A modern nagy - skála integrált áramkörök órájának órája azonban általában magas, tehát az energiafogyasztási és hőeloszlás problémáinak megoldása továbbra is nehéz probléma a CMOS integrált áramköri tervezésében.

Ahogy a CMOS -folyamat Moore törvénye szerint tovább fejlődik, a kapu és a csatorna közötti szilícium -dioxidréteg vastagsága továbbra is csökken, és a kapu szivárgási jelensége egyre komolyabbá válik. Ez a probléma nem volt nyilvánvaló a mély szubmikron folyamat szakaszában, de a tíz nanométer folyamat csomópontjába való belépés után a kapuszivárgás teljesítménye lett a teljes áramköri energiafogyasztás fő forrása. A mély szubmikroni folyamat szakasza előtt csak az órás gátlásra van szükség az áramkör leállításához; A mély szubmikroni folyamat után azonban a helyzet megváltozik - az óra leállításán kívül az ellátási feszültséget csökkenteni kell, vagy fel kell emelni a szubsztrát feszültségét a kapu szivárgási energiafogyasztásának minimalizálása érdekében. Az integrált áramkörök skálájának folyamatos kiterjesztésével az energiafogyasztás és a hőeloszlás szűk keresztmetszetekké vált. Csak több technológiai innováció révén biztosíthatjuk a Moore törvényének folyamatos fejlődését, és tovább javíthatjuk a chipek integrációját.