Procesy polovodičov a CMOS

Polovodič a CMOSProcesses

Prírodný piesok je bohatý na oxid kremičitý (Sio₂), z ktorého je možné extrahovať vysoké - čistotu monokryštalického kremíka na výrobu integrovaných obvodov. Monokryštalický kremík má extrémne vysoké požiadavky na čistotu, ktoré musia dosiahnuť viac ako 99,99999999% (tj, 9 9 s) a atómy kremíka musia byť usporiadané podľa diamantovej štruktúry, aby sa vytvoril kryštalické jadro. Keď je orientácia kryštálovej roviny kryštálového jadra rovnaká, môže sa tvoriť monokryštalický kremík; Ak je orientácia kryštálovej roviny iná, vytvorí sa polysilikón.

Monokryštalický kremík aj polysilikón sa môžu použiť pri výrobe integrovaných obvodov, medzi ktorými sa monokryštalický kremík používa hlavne na vytváranie kremíkových substrátov a na výrobu komponentov, ako sú napríklad brány, brány, brány, polysilikónové odpory alebo kondenzátory.

Ako je znázornené na obrázku 1, výrobný proces od piesku po čip je nasledujúci: Po prvé, kremeňový piesok sa používa ako surovina na prípravu jednokryštálového kremíka - Obsah kremičita v kremennom piesku je vyšší ako v prípade bežného piesku a po rafinácii je možné získať kremík metalurgického stupňa; potom čistenie, rafinácia a ukladanie metalurgického kremíka na výrobu polysilikónu; Prostredníctvom procesu výkresu sa môže polysilikón previesť na monokryštalické kremíkové ingoty. Vystrihnite jednorazové kremíkové ingoty na tenké listy, aby ste získali doštičky. Na každej doštičke, ktoré sú nakrájané, testované a zabalené na výrobu produktov integrovaného okruhu (ChIP), je možné vyrobiť veľké množstvo integrovaných matrice obvodov.

Vnútorné polovodiče

Vnútorné polovodiče sa vzťahujú na čisté kryštály, ktoré neobsahujú atómy nečistoty a bez štrukturálnych defektov. Germánium (GE) a kremík (SI) sú štvornásobné prvky a bežne sa používajú polovodičové materiály. Vo vnútorných polovodičoch, hoci štyri valenčné elektróny na vonkajšej vrstve atómov môžu tvoriť kovalentné väzby s vonkajšími elektrónmi okolitých atómov, pod extraciou energie tepla alebo svetla, elektróny v niektorých kovalentných väzbách sa môžu zlomiť z kovalentných väzieb a potom tvoria vodivé elektrické pásmo a valenčné pásové pásy, ktoré sa nazývajú nosenia. Pretože dvaja nosiče vo vnútorných polovodičoch sa vždy objavujú v pároch a sú v stave tepelnej rovnováhy, pod pôsobením aplikovaného elektrického poľa sa títo nosiče môžu pohybovať smerom, aby vytvorili elektrický prúd, takže materiál má určitú vodivosť, takže tento typ polovodiča sa nazýva vnútorný semiconductor.

Ak sa do vnútorného polovodiča pridá určité množstvo špecifických atómov nečistoty, zmení sa na vnútorný polovodičný polovodič. Medzi nimi sa non - vnútorné polovodiče začlenené s pentavalentnými prvkami nazývajú n - polovodiče typu a takéto pentavalentné prvky sa nazývajú nečistoty darcov; Non - Vnútorné polovodiče začlenené s trvalentnými prvkami sa nazývajú p - polovodiče typu a tieto trivalentné prvky sa zodpovedajúco nazývajú nečistoty hostiteľa. Na rozdiel od tepelného rovnovážneho stavu vnútorných polovodičov sú dvaja nosiči v ne - vnútorné polovodiče vždy v nerovnomernom stave: dominantný nosič sa nazýva majoritný nosič (označovaný ako mnohí) a sekundárny nosič sa nazýva menšinový nosič (označuje sa ako na pár). Pretože n - type polovodičov sú dotované 5 - Valent, ich momotróny sú voľné elektróny; Polovičky typu p sú dotované trvalentnými prvkami a ich molekuly sú diery.

Vo vnútri vnútorného polovodiča sú koncentrácie dvoch nosičov (vodivé pásové elektróny a otvory valenčného pásma) v tepelnej rovnováhe rovnaké a táto koncentrácia sa nazýva vnútorná koncentrácia nosiča. Táto koncentrácia nie je konštantná, ale závisí od špecifického materiálu polovodiča a teploty, pri ktorej sa nachádza -, čím vyššia je teplota, tým vyššia je koncentrácia vnútorného nosiča.

Vo vnútorných polovodičoch, ktoré nie sú - Koncentrácia malého počtu nosičov (málo) je všeobecne nižšia ako koncentrácia vnútorných nosičov a medzi nimi existuje aj niekoľko rádov. Preto je v porovnaní s koncentráciou častíc viacerých - koncentrácia oligoptónovej koncentrácie extrémne nízka, čo je zanedbateľné vo väčšine výpočtových a analytických scenárov.

Nosič produkuje smerový drift pohyb poháňaný elektrickými poľnými silami. V slabom prostredí elektrického poľa je splnený priamy proporcionálny vzťah medzi priemernou rýchlosťou driftu v nosiči a silou elektrického poľa E, ktorý je vyjadrený ako

(Ak sa proporcionálny koeficient μ nazýva mobilita nosiča, ktorá sa meria v centimetroch na volt, tj CM/(V · S)).

Tento driftný pohyb nosiča môže tvoriť driftný prúd a veľkosť driftového prúdu pozitívne koreluje s mobilitou nosiča. Malo by sa poznamenať, že hoci skutočný smer driftu otvorov a voľných elektrónov je opačný pod účinkom elektrickej sily poľa, smer prúdu driftu tvorený každým z nich je úplne rovnaký, takže celkový driftný prúd vo vnútri polovodiča sa rovná superpozícii prúdu driftu otvoru a voľného prúdu elektrónu.

Ak je pevnosť aplikovaného elektrického poľa rovnaká, tým väčšia je hustota driftu prúdu polovodiča, tým silnejšia je jeho vodivosť. Ďalšia analýza ukazuje, že hustota driftného prúdu je nielen priamo úmerná mobilite nosiča, ale aj koncentrácii nosiča. Aj keď koncentrácia nosiča vnútorných polovodičov nie je nula a môže produkovať slabé driftové prúdy pod pôsobením elektrických polí, viac {- sub koncentrácie non - sú vnútorné polovodiče, ktoré sú zvyčajne veľa veľkých rádov, ako sú intrinické koncentrácie nosiča, čo spôsobuje, že drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová drifová hustota non {{}} {}} {}} {}} {}} {}} {}}} {}} { vnútorných polovodičov. Preto je pri výpočte driftného prúdu zvyčajne zanedbateľná hustota prúdu driftu vnútorných polovodičov.

P-typ a n - type polovodičov

Q - V dôsledku extrémne malej hustoty driftového prúdu vnútorných polovodičov možno vnútorné polovodiče zvyčajne považovať za izolátory v porovnaní s ne - vnútorné polovodičy. Z tohto dôvodu sú polovodičové materiály použité pri skutočnej výrobe integrovaných obvodov ne - vnútorné polovodiče. Vodivosť vnútorných polovodičov, ktoré nie sú -

Údaje o mobilite nosiča pre germánia (GE) a kremík (SI) sú uvedené v tabuľke 2 (kde je voľná mobilita elektrónov napísaná ako μn a mobilita otvorov je napísaná ako μP). Bezplatná mobilita elektrónov μn GE aj Si je oveľa väčšia ako mobilita dier μp, takže n - type polovodičových zariadení fungujú výrazne lepšie ako P - type polovodičových zariadení v kľúčových indikátoroch výkonnosti, ako sú zisky, frekvenčné vlastnosti a hnacia schopnosť.

Ako je znázornené na obrázku 2, keď n - typu polovodič a p {{}}} napolyonduktor je v úzkom kontakte, v rozhraní medzi nimi sa vytvorí križovatka PN. V oblasti križovatky sa voľné elektróny v oblasti N difúzujú do oblasti P, zatiaľ čo diery v oblasti P difundujú do oblasti N. Po tomto difúznom pohybe sa na rozhraní z oblasti N do oblasti P vytvorí vnútorné elektrické pole. Keď sa pevnosť vnútorného elektrického poľa postupne zvyšuje, konečná difúzna sila a vnútorná sila elektrického poľa dosahujú rovnovážny stav a difúzny pohyb sa zastaví. V tejto dobe sa na križovatke, ktoré sa nazýva oblasť vesmírneho náboja, sa vytvorí oblasť bez voľných elektrónov a otvorov, ktoré sa nazýva oblasť na náboj a často sa nazýva zóna vyčerpania. Ak sú elektródy vytiahnuté na oboch koncoch križovatky PN, môže sa vytvoriť dióda - Elektróda z oblasti P je anóda a elektróda z oblasti N je katóda.

Aplikácia napätia na obidve konce diódy môže prelomiť pôvodnú rovnováhu medzi difúznou silou a silou elektrického poľa. Ak aplikované napätie spĺňa katódový potenciál vyšší ako potenciál anódy, aplikované napätie zvýši vnútornú silu elektrického poľa, čo spôsobí, že nosič stále nie je schopný vykonať difúzny pohyb {-, pretože neexistuje žiadny difúzny prúd, dióda je v rezanom {{}} mimo stavu. Naopak, aplikované napätie oslabí vnútornú silu elektrického poľa, nosič sa začne znova rozptyľovať a difúzny prúd sa vygeneruje vo vnútri diódy, v tomto okamihu dióda vstúpi do vodivého stavu. Táto schopnosť zapnúť alebo vypnúť s aplikovaným napätím spôsobuje, že jednosmerná vodivosť diódy, ktorá zase hrá v obvode kľúčovú úlohu. V procese CMOS sa tvorí niekoľko typov spojov PN, ktoré sa môžu použiť nielen na výrobu diód v integrovaných obvodoch, ale aj na dosiahnutie elektrickej izolácie medzi zariadeniami v stave zaujatosti.

Proces zavedenia 5 - Valent alebo 3-valent prvkov do polovodičov sa nazýva doping a proces dopingu sa bežne používa implantáciou iónov. Ak je koncentrácia implantácie iónov nízka, je mierne dopovaná (vyjadrená ako n⁻, n⁻ alebo p⁻, p⁻); Ak je koncentrácia implantácie iónov vysoká, je dotknutá (vyjadrená ako n⁺, n⁺ alebo p⁺, p⁺). Je zrejmé, že vodivosť silne dopovaných polovodičov je lepšia ako vodivosť ľahko dopovaných polovodičov.

Ak sa miestny ťažký doping vykonáva vo veľkej ploche ľahkej dopingovej oblasti, svetlo dopované oblasť sa všeobecne nazýva substrát a ťažká dopingová oblasť sa nazýva difúzna zóna (difúzia) alebo aktívna (aktívna). Typ polovodiča v difúznej zóne a substráte môže byť rovnaký (obidve n - type alebo p - type) alebo iného (heteromorfizmus). V procese CMOS existujú dve situácie: homotyp doping sa používa hlavne na vzdelávanie elektródy a na realizáciu pripojenia cez Ohmic kontakt a špeciálny - Typ doping sa používa hlavne na konštrukciu izolačnej štruktúry medzi zariadením MOS a substrátom.

Polovodičové zariadenia musia byť vylúčené z elektródy cez kov. Keď polovodič prichádza do kontaktu s kovom, prepracovanie umožňuje elektrónom tunel cez kontaktnú bariéru, čo vedie k nízkemu - OHMIC kontaktov OHMIC, ktoré sa dajú použiť na vyvolanie elektród. V prípade dopingu svetla je však kontaktný odpor medzi polovodičom a kovom extrémne veľký a efekt elektródového pripojenia nie je dobrý, takže sa nemôže použiť na vyvodenie elektródy. Preto na extrahovanie elektródy z nízko - doping substrát musí byť substrát lokálne re - dopovaný izomorfizmom a potom sa zavedie kovová elektróda.

Ako je znázornené na obrázku . 3, štruktúra profilu n - a kov je spojený Ohmic kontaktom. N - pasce sú ľahké dotované n - polovodiče typu, ktoré sa často používajú ako substráty a musia byť pripojené k napájaciemu zdroju VDD. Na dosiahnutie efektívneho spojenia je v n - dobre vytvorenie difúznej oblasti N⁺, čím sa spojí s kovom na konštrukciu ohmov, izomorfné prepracovanie. Malo by sa poznamenať, že oxid kremičitý (SIO₂) na obrázku 3 sa používa na dosiahnutie izolácie izolácie medzi kovom a polovodičom a aby sa vytvoril ohmický kontakt medzi kovom a difúznou oblasťou N⁺, je potrebné otvoriť otvory vo vrstve SIO₂, ktoré sa nazývajú kontaktné diery.

Pretože vstrekovanie špeciálnych {- v tvare iónov môže tvoriť diódy spojenia PN medzi difúznou oblasťou a substrátom, viac difúznych oblastí na rovnakom substráte je možné izolovať od seba navzájom pomocou diódy, pokiaľ je napätie predpätia primerane kontrolované, takže dióda je vždy v reverznom stave stavu. Ako je znázornené na obrázku . 4, štruktúra izolačného profilu diódy v dvoch difúznych oblastiach P⁺ je znázornená na obrázku . 4: Dve p⁺ difúzne oblasti v n {- dobre formujte dva nezávislé diódy s n {{}} dobre a n -}}}}}}}}}}}}}}}}}}} dobre prepojené v V s vysokým potenciálom Difúzna oblasť, ktorá môže zabezpečiť, aby boli tieto dve diódy vždy v reverznom stave, a potom si uvedomia izoláciu diódy medzi dvoma difúznymi oblasťami P⁺.

Podobne, ak je substrát typu p - pripojený k najnižšiemu potenciálnemu GND, je možné dosiahnuť izoláciu diódy medzi viacerými difúznymi oblasťami N⁺. Obr. Substrát celej oblátky na obrázku je p - substrát a pasca N - je vyrobená na vrchu p - substrátu typu. V kombinácii s potenciálnym vzťahom na obr. Tento proces, ktorý obsahuje iba N pasce a nestanovuje pasce P, sa nazýva proces n dobre.

Ako je znázornené na obrázku . 6 a, ak sa do p- substrátu vstrekujú dve difúzne oblasti P+, alebo sa do prvého kanála vložia dve difúzne oblasti P -, oblasť medzi dvoma difúznymi zónami je definovaná ako kanál a kanál a podčasťový substrát. Substrát sa označuje písmenom B a difúzne zóny na oboch stranách kanála sú reprezentované S a D, ktoré sú spojené s kovmi kontaktnými otvormi. Vytvorte kovovú elektródu priamo nad kanálom, ktorý je označený písmenom G. kombinované so vzťahom napätia aplikovaného na obrázku . 6, je zrejmé, že v substráte typu PN je v substráte s n -. stav, takže všetky S a D na obrázku sa nevykonávajú. Je potrebné poznamenať, že na obrázku existujú dve samostatné sady S, D, G a B, pomocou rovnakých písmen tu len na uľahčenie následného pomenovania špendlíkov MOS.

Na obrázku 6b kanál medzi dvoma difúznymi oblasťami N+ patrí k substrátu typu p -, ktorý je pripojený k GND. V súčasnosti, ak sa na g nad kanálom aplikuje kladné napätie V₁, elektrické pole generované medzi G a kanálom pritiahne niektoré elektróny, ktoré vyplnia otvory v kanáli. Ak je V₁ dostatočne vysoký na to, aby elektróny zostali po vyplnení otvoru, kanál sa zmení z P - typu N - a potom pripojí dve difúzne oblasti N+, takže sa vykonávajú S a D. Keď napätie V₁ klesne na 0, kanál sa vráti na p -, čím sa znova izoluje od D. Preto sú S a D rovnocenné s dvoma koncami elektronického spínača a ich zapnutie/vypnutie a odpojenie sú riadené napätím G.

Rovnakým spôsobom je kanál medzi dvoma p+ difúznymi oblasťami v pasci N na obrázku . 6 b studňou a n dobre je pripojená k VDD. V tomto bode sa napätie V₂ pod VDD aplikuje na g nad kanálom a elektrické pole medzi G a kanálom odpudzuje elektróny v kanáli. Ak je V₂ dostatočne nízky, z kanála sú odrazené nielen voľné elektróny, ale aj elektróny v niektorých kovalentných väzbách, ktoré vytvárajú otvory v kanáloch. Týmto spôsobom sa kanál zmení z N - typu na p - v tvare, spájajúc dve P+ difúzne zóny a umožňuje vykonávanie S a D. Keď napätie V₂ opäť stúpa na VDD, kanál sa vráti na N -, izoluje S od D opäť, takže štruktúra je tiež elektronickým spínačom riadeným G.

0040-35057 Rev.c Zváranie, vložka na štrbinový ventil, procesná komora

Los

Difúzne zóny na oboch stranách kanála sa nazývajú zdroj (S) a odtok (D) a elektródová doska nad kanálom sa nazýva brána (G), ktorá spolu s backgate (B) substrátu predstavuje MOS trubicu. Zariadenie zložené z dvoch difúznych oblastí N+ a ich zodpovedajúcich brán sa nazýva trubice NMOS a zariadenia zložené z dvoch p+ difúznych oblastí a ich zodpovedajúcich brán sa nazývajú trubice PMOS a symboly oboch sú znázornené na obrázku {{3} c.

Materiálom brány skorých mos rúr je hliník, ktorý patrí do kategórie kovu. Oxid kremičitý medzi bránou a kanálom patrí k oxidu. Kanál patrí do polovodiča. Kombinácia iniciálov troch anglických slov kovových kovov - oxid - polovodiča dáva MOS (tj kov - oxid - semiconductor), a preto je pomenovaná mos trubica. Malo by sa zdôrazniť, že v skutočnom procese musí byť hrúbka vrstvy oxidu kremičitého pod bránou menšia ako v iných oblastiach.

MOS trubice sa dajú jednoducho chápať ako elektronické spínače riadené napätím brány: Truby NMOS sa zapnú, keď je napätie brány vysoké, a trubice PMOS sa zapnú, keď je napätie brány nízke. Ako je znázornené na obrázku 7, skúmavka PMOS a trubica NMOS sú spojené v sérii medzi VDD a GND a tieto dve brány sú spojené spolu ako vstupný port A a odtoky dvoch mOS trubíc sú spojené spolu ako výstupný port Y. Ak je A vysoká, trubica NMOS je zapnutá, trubica PMOS je odrezaná a výstup y sa stiahne nadol. Ak je A nízka, trubica NMOS je odrezaná, trubica PMOS je zapnutá a výstup Y je vytiahnutý nahor. Výsledkom je, že A a Y tvoria inverznú fázu a obvod sa nazýva menič.

V meniči znázornenom na obrázku . 7, pretože trubica PMOS je pripojená k bráne trubice NMOS, a napätie brány potrebné na zapnutie je opačné, trubica NMOS a trubica PMOS nebude zapnutá v rovnakom čase a nie je súčasný prúd medzi prúdom a zemou, ktorá je rovná sa so statným spotrebou výkonu. Okrem meniča môže trubica NMOS a trubica PMOS tiež tvoriť rôzne ďalšie logické brány, ktoré tiež nemajú spotrebu energie jednosmerného prúdu v statickom prevádzkovom stave. Vzhľadom na mimoriadne dokonalé komplementárne charakteristiky trubíc NMOS a trubíc PMOS sa obvod zložený z týchto dvoch pomenuje komplementárny kov - oxid - semiconductor (CMOS).

0020-42287 Plate Perf 8inch EC WXZ

Aj keď medzi zdrojom napájania a pôdou (tj. Spotreba statickej energie), keď je logická brána CMOS v pokoji, nebude mať v pokoji Logic Gate Flip, trubica NMOS a trubica PMOS bude mať krátky fenomén súčasného vedenia, ktorý bude generovať určitú dynamickú konzumáciu energie. Okrem toho proces nabíjania a vypúšťania kondenzátorov zaťaženia pomocou logických brán tiež spôsobuje spotrebu energie. Pretože táto spotreba energie súvisí s preklopením logickej brány, čím vyššia je frekvencia hodín, tým väčšia je spotreba energie obvodu CMOS; Frekvencia hodín moderného veľkého - Integrované obvody sú však vo všeobecnosti vysoké, takže riešenie spotreby energie a problémy s rozptylom tepla je stále ťažkým problémom pri integrovanom obvode CMOS.

Keď sa proces CMOS neustále vyvíja podľa Mooreovho zákona, hrúbka vrstvy oxidu kremičitého medzi bránou a kanálom sa naďalej znižuje a jav úniku brány sa stáva čoraz vážnejšou. Tento problém nebol zrejmý pred hlbokým fázou procesu submikrónu, ale po vstupe do desiatok nanometrov procesu procesu sa výkon úniku brány stal hlavným zdrojom celkovej spotreby energie obvodu. Pred hlbokým fázou procesu submikrónu sa na vypnutie obvodu vyžaduje iba hradlovanie hodín; Po hlbokom procese submikrónu sa však situácia zmení - okrem vypnutia hodín je potrebné znížiť napätie napájania alebo sa musí znížiť napätie substrátu, aby sa minimalizovalo spotreba energie úniku brány. S nepretržitým rozširovaním rozsahu integrovaných obvodov sa spotreba energie a rozptyl tepla stali navrhované úzke miesta. Iba prostredníctvom viac technologických inovácií môžeme zabezpečiť neustály rozvoj Mooreovho zákona a ďalej zlepšiť integráciu čipov.