Yarıiletken ve CMOS işlemleri

Yarı iletken ve cmosProcesses

Doğal kum, entegre devreler üretmek için yüksek - saflık monokristalin silikonun çıkarılabileceği silika (Sio₂) bakımından zengindir. Monokristalin silikon,% 99.99999999'dan (yani 9 9 s) ulaşması gereken son derece yüksek saflık gereksinimlerine sahiptir ve silikon atomlarının bir kristal çekirdek oluşturmak için elmas yapısına göre düzenlenmesi gerekir. Kristal çekirdeğin kristal düzlem oryantasyonu aynı olduğunda, monokristalin silikon oluşabilir; Kristal düzlemin oryantasyonu farklıysa, polisilikon oluşacaktır.

Hem monokristalin silikon hem de polisilikon, esas olarak silikon substratlar oluşturmak için monokristalin silikonun kullanıldığı entegre devrelerin üretiminde kullanılabilir ve polisilikon, Mos tüplerinin kapakları, polisilikon dirençleri veya kapasitörleri gibi bileşenler yapmak için kullanılabilir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, kumdan çip arası üretim süreci aşağıdaki gibidir: birincisi, kuvars kum, tek kristal silikon hazırlamak için hammadde olarak kullanılır - Kuvars kumun silika içeriği sıradan kumdan daha yüksektir ve metalurjik dereceli silikon arıtma işleminden sonra elde edilebilir; daha sonra polisilikon üretmek için metalurjik dereceli silikonun saflaştırılması, rafine edilmesi ve yatırılması; Çizim işlemi boyunca polisilikon monokristalin silikon külçelere dönüştürülebilir. Gofret elde etmek için tek kristal silikon iç içi külçeleri ince tabakalara kesin. Entegre devre çip (çip) ürünleri yapmak için dilimlenmiş, test edilmiş ve paketlenmiş her gofret üzerinde çok sayıda entegre devre kalıpları yapılabilir.

İçsel yarı iletkenler

İçsel yarı iletkenler, safsızlık atomları olmayan ve yapısal kusurlardan arınmış saf kristalleri ifade eder. Germanyum (GE) ve silikon (SI) her ikisi de dörtlü elementlerdir ve yaygın olarak yarı iletken malzemelerdir. İçsel yarı iletkenlerde, en dıştaki atom tabakasındaki dört değerlik elektronu, çevreleyen atomların en dış elektronları ile, ısı veya ışık enerjisinin uyarılması altında kovalent bağlar oluşturabilmesine rağmen, bazı kovalent bağlardaki elektronlar kovalent bağlardan kurtulabilir ve daha sonra temas ettirici bant elektronları oluşturabilir, bu da taşıyıcılar olarak adlandırılır. İçsel yarı iletkenlerdeki iki taşıyıcı her zaman çiftler halinde göründüğünden ve bir termal denge durumunda olduğu için, uygulanan bir elektrik alanının etkisi altında, bu taşıyıcılar bir elektrik akımı oluşturmak için yönlü olarak hareket edebilir, böylece malzemenin belirli bir iletkenliğe sahip olması, böylece bu tür yarı iletkenlere içsel yarı iletken denir.

İçsel yarı iletkene belirli bir miktarda spesifik safsızlık atomu eklenirse, - intrinsik bir yarı iletken olmayana dönüştürülecektir. Bunlar arasında, pentavalent elementlerle dahil edilen - intrinsik yarı iletkenlere n - tip yarı iletkenler denir ve bu tür pentavalent elemanlara donör safsızlıkları denir; Üç değerlikli elementlerle birleştirilmiş - intrinsik yarı iletkenlere P - tipi yarı iletkenler denir ve bu üç değerlikli elemanlara buna karşılık olarak konak safsızlıkları denir. İçsel yarı iletkenlerin termal denge durumundan farklı olarak, - iç yarı iletken olmayan iki taşıyıcı her zaman bir denge durumundadır: baskın taşıyıcıya çoğunluk taşıyıcısı (çok sayıda olarak atıfta bulunulur) ve ikincil taşıyıcı olarak adlandırılır (ikincil taşıyıcı olarak adlandırılır (az) olarak adlandırılır. N - tipi yarı iletkenler 5 - Valent elemanları ile katıldığından, momotronları serbest elektronlardır; P tipi yarı iletkenler üç değerlikli elementlerle katlanır ve molekülleri deliktir.

İçsel yarı iletkenin içinde, termal dengedeki iki taşıyıcının (iletken bant elektronları ve değerlik bandı delikleri) konsantrasyonları aynıdır ve bu konsantrasyona iç taşıyıcı konsantrasyonu denir. Bu konsantrasyon sabit değildir, ancak yarı iletkenin spesifik malzemesine ve bulunduğu sıcaklığa - sıcaklık ne kadar yüksek olursa, iç taşıyıcının konsantrasyonu o kadar yüksek olur.

- intrinsik yarı iletken olmayanlarda, çoğu taşıyıcının (polypion) konsantrasyonu kabaca, kirliliklerin doping konsantrasyonuna, genellikle iç taşıyıcı konsantrasyonundan birkaç büyüklük sırası. Az sayıda taşıyıcının (az) konsantrasyonu genellikle iç taşıyıcılarınkinden daha düşüktür ve ikisi arasında birkaç büyüklük farkı da vardır. Bu nedenle, multi - partikül konsantrasyonu ile karşılaştırıldığında, oligoptonik konsantrasyon son derece düşüktür, bu da çoğu hesaplama ve analiz senaryosunda ihmal edilebilir.

Taşıyıcı, elektrik alan kuvvetleri tarafından yönlendirilen yönlü bir sürüklenme hareketi üretir. Zayıf bir elektrik alan ortamında, taşıyıcının ortalama sürüklenme hızı V ve elektrik alan kuvveti E arasında doğrudan orantılı bir ilişki karşılanır, bu da

(burada orantılı katsayı μ, volt saniye başına santimetre olarak ölçülen taşıyıcının hareketliliği olarak adlandırılır, yani, CM/(V · S)).

Taşıyıcının bu sürüklenme hareketi bir sürüklenme akımı oluşturabilir ve sürüklenme akımının büyüklüğü taşıyıcı hareketliliği ile pozitif ilişkilidir. Deliklerin ve serbest elektronların gerçek sürüklenme yönünün elektrik alan kuvvetinin etkisi altında zıt olmasına rağmen, her birinin oluşturduğu sürüklenme akımı yönünün tam olarak aynı olduğuna dikkat edilmelidir, bu nedenle yarı iletken içindeki toplam sürüklenme akımı, delik kayma akımının ve serbest elektron sürüklenme akımının üst üste binmesine eşittir.

Uygulanan elektrik alanının mukavemeti aynı olduğunda, yarı iletkenin sürüklenme akımı yoğunluğu ne kadar büyük olursa, iletkenliği o kadar güçlü olur. Daha ileri analizler, sürüklenme akım yoğunluğunun sadece taşıyıcının hareketliliği ile değil, aynı zamanda taşıyıcının konsantrasyonu ile doğru orantılı olduğunu göstermektedir. Her ne kadar intrinsik yarı iletkenlerin taşıyıcı konsantrasyonu sıfır olmasa da ve elektrik alanlarının etkisi altında zayıf sürüklenme akımları üretebilse de, multi - intrinsik yarı iletkenlerin alt konsantrasyonları genellikle daha büyük bir büyüklük sırasıdır, bu da intrinsik taşıyıcı konsantrasyonlardan daha yüksek büyüklükte daha yüksektir, bu da intrinsik taşıyıcı konsantrasyonlardan daha yüksektir, bu da intrinsik taşıyıcı konsantrasyonlardan daha yüksektir. içsel yarı iletkenlerinkinden. Bu nedenle, içsel yarı iletkenlerin sürüklenme akımı yoğunluğu genellikle sürüklenme akımını hesaplarken ihmal edilebilir.

P-Type ve n - Tip Yarıiletkenler

Q - İntrinsik yarı iletkenlerin son derece küçük sürüklenme akımı yoğunluğu nedeniyle, intrinsik yarı iletkenler genellikle - iç yarı iletken olmayanlara kıyasla izolatör olarak kabul edilebilir. Bu nedenle, entegre devrelerin gerçek üretiminde kullanılan yarı iletken malzemeler - iç yarı iletkenler değildir. - intrinsik yarı iletken olmayanların iletkenliği, hareketlilik μ multiplon ile yakından ilişkilidir: hareketlilik ne kadar büyük olursa, yarı iletkenin iletkenliği o kadar güçlü olur ve cihazda daha hızlı çalışır.

Germanyum (GE) ve silikon (SI) için taşıyıcı hareketlilik verileri Tablo 2'de gösterilmiştir (burada serbest elektron hareketliliği μn olarak yazılır ve delik hareketliliği μP olarak yazılır). Hem GE hem de Si'nin serbest elektron hareketliliği μn, delik mobilitesi μp'den çok daha fazladır, bu nedenle n - tipi yarı iletken cihazlar, kazanç, frekans karakteristikleri ve sürüş kabiliyeti gibi anahtar performans göstergelerinde p - tip yarı iletken cihazlardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterir.

Şekil 2'de gösterildiği gibi, n - tipi yarı iletken ve p - tipi yarı iletken yakın temas halinde olduğunda, ikisi arasındaki arayüzde bir PN bağlantısı oluşacaktır. Kavşak bölgesinde, N bölgesindeki serbest elektronlar P bölgesine yayılırken, P bölgesindeki delikler N bölgesine yayılır. Bu difüzyon hareketi gerçekleştikten sonra, N bölgesinden P bölgesine arayüzde dahili bir elektrik alanı oluşur. Dahili elektrik alanının gücü kademeli olarak arttıkça, son difüzyon kuvveti ve iç elektrik alan kuvveti bir denge durumuna ulaşır ve difüzyon hareketi durur. Şu anda, uzay yükü bölgesi olarak adlandırılan ve genellikle tükenme bölgesi olarak adlandırılan kavşak arayüzünde serbest elektron ve delikleri olmayan bir bölge oluşacaktır. Elektrotlar PN kavşağının her iki ucuna çekilirse, bir diyot oluşturulabilir - P bölgesinden elektrot anottur ve N bölgesinden elektrot katottur.

Diyotun her iki ucuna voltaj uygulamak, difüzyon kuvveti ile elektrik alan kuvveti arasındaki orijinal dengeyi kırabilir. Uygulanan voltaj katot potansiyelini anot potansiyelinden daha yüksek karşılıyorsa, uygulanan voltaj dahili elektrik alan kuvvetini artıracak, bu da taşıyıcının difüzyon hareketi - difüzyon akımı olmadığından, diyot bir kesim - kapalı durumdadır. Aksine, uygulanan voltaj iç elektrik alan kuvvetini zayıflatacaktır, taşıyıcı tekrar yayılmaya başlayacak ve difüzyon akımı diyotun içinde üretilecek, bu noktada diyot iletim durumuna girecektir. Uygulanan voltajla açma veya kapatma yeteneği, diyotu tek yönlü iletken hale getirir, bu da devrede önemli bir rol oynar. CMOS sürecinde, sadece entegre devrelerde diyotlar üretmek için değil, aynı zamanda ters sapma durumundaki cihazlar arasında elektriksel izolasyon elde etmek için kullanılabilen çeşitli PN bağlantıları türleri oluşur.

Yarı iletkenlere 5 - Valent veya 3 valent elemanları sokma işlemine doping denir ve doping işlemi yaygın olarak iyon implantasyonu ile kullanılır. İyon implantasyon konsantrasyonu düşük olduğunda, hafifçe katlanır (N⁻, N⁻ veya P⁻, P⁻ olarak ifade edilir); İyon implantasyon konsantrasyonu yüksek olduğunda, HE-katkısıdır (N⁺, N⁺ veya P⁺, P⁺ olarak ifade edilir). Açıkçası, ağır katkılı yarı iletkenlerin iletkenliği, hafif doped yarı iletkenlerden daha iyidir.

Yerel ağır doping geniş bir ışık doping alanında gerçekleştirildiğinde, ışık katkılı alan genellikle substrat olarak adlandırılır ve ağır doping alanına difüzyon bölgesi (difüzyon) veya aktif (aktif) denir. Difüzyon bölgesindeki ve substrattaki yarı iletken tipi aynı olabilir (hem n - tipi veya p - tipi) veya farklı (heteromorfizm) olabilir. CMOS sürecinde iki durum vardır: homotip doping esas olarak elektrotu eğitmek ve ohmik temas yoluyla bağlantıyı gerçekleştirmek için kullanılır ve özel - tip doping esas olarak MOS cihazı ve substrat arasında bir izolasyon yapısı oluşturmak için kullanılır.

Yarı iletken cihazların metalden elektrottan çıkarılması gerekir. Bir yarı iletken bir metalle temas ettiğinde, yeniden düzenleme elektronların temas bariyeri boyunca tünel yapmasına izin verir, bu da elektrotları ortaya çıkarmak için kullanılabilen düşük - dirençli ohmik kontaklara neden olur. Bununla birlikte, ışık katma durumunda, yarı iletken ve metal arasındaki temas direnci son derece büyüktür ve elektrot bağlantı etkisi iyi değildir, bu nedenle elektrotu çıkarmak için kullanılamaz. Bu nedenle, elektrodu düşük - doping substratından çıkarmak için, substratın lokal olarak izomorfizm ile katkılı olması gerekir ve daha sonra metal elektrot tanıtılır.

Şekil . 3 'da gösterildiği gibi, n - kuyucunun profil yapısı ve metal ohmik temasla bağlanır. N - tuzaklar, genellikle substratlar olarak kullanılan ve bir güç kaynağı VDD'ye bağlanması gereken N - tipi yarı iletkenler hafifçe katkılıdır. Etkili bağlantı elde etmek için, bir N⁺ difüzyon bölgesi oluşturmak için N - 'da izomorfik yeniden düzenleme gereklidir, böylece ohm yapmak için metalle temas eder. Şekil 3'teki siliğin (SIO₂) metal ve yarı iletken arasında yalıtım izolasyonu elde etmek için kullanıldığına ve metal ve N⁺ difüzyon bölgesi arasında ohmik temas oluşturmak için, temas delikleri olarak adlandırılan Sio₂ katmanında deliklerin açılması gerekmektedir.

Özel - şekilli iyonların enjeksiyonu, difüzyon bölgesi ve substrat arasında PN bağlantı diyotları oluşturabildiğinden, aynı substrat üzerindeki çoklu difüzyon bölgeleri, diyot her zaman ters belik durumunda olması için önyargı voltajı makul bir şekilde kontrol edildiği sürece diyot tarafından izole edilebilir. Şekil . 4 'te gösterildiği gibi, iki P⁺ difüzyon bölgesinin diyot izolasyon profili yapısı, Şekil . 4: N -' da gösterilmiştir: N - kuyudaki iki P⁺ difüzyon bölgesi, N - kuyu ile N - kuyucusuna bağlı olarak N - kuyu ile bağlanan iki bağımsız diyot, N {{6} kuyucusuna bağlı olarak, n {6} iyi bir şekilde bağlanabilir, bu İki diyotun her zaman ters sapma durumunda olduğundan emin olun ve daha sonra iki P⁺ difüzyon bölgesi arasındaki diyot izolasyonunu gerçekleştirin.

Benzer şekilde, p - tipi substrat en düşük potansiyel GND'ye bağlıysa, birden fazla N⁺ difüzyon bölgesi arasındaki diyot izolasyonu elde edilebilir. Şekil . 5, iki P⁺ difüzyon bölgesi arasındaki ve iki N⁺ difüzyon bölgesi arasındaki diyot izolasyon yapısını gösteren N - kuyu işleminin diyot izolasyon profili yapısını gösterir. Şekildeki tüm gofretin substratı bir p - tipi substrattır ve N - tuzağı p - tipi substratın üstünde yapılır. Şekil . 5 'daki potansiyel ilişki ile birleştiğinde, N - iyi ve P - tipi substrat arasındaki Pn bağlantı diyotunun, N - kuyu arasındaki izolasyonu sağlayan ters sapma durumunda olduğu görülebilir. Sadece N tuzakları içeren ve P tuzaklarını ayarlamayan bu işlemi n kuyu işlemi denir.

Şekil . 6 a'da gösterildiği gibi, N - kuyucuğuna iki P+ difüzyon bölgesi enjekte edilirse veya p - tipi substrat içine enjekte edilirse, iki difüzyon bölgesi arasındaki bölge kanal olarak tanımlanır ve kanal bir bütündür. Substrat, B harfi tarafından atıfta bulunulur ve kanalın her iki tarafındaki difüzyon bölgeleri, temas delikleri ile metale bağlanan S ve D ile temsil edilir. Make a metal electrode directly above the channel, which is denoted by the letter G. Combined with the voltage relationship applied in Fig. 6, it can be seen that the PN junction diode between the N-well and the P-type substrate is in the reverse bias state, and the diffusion zone on both sides of the channel and the respective substrate are also in the reverse bias state, Dolayısıyla, şekildeki tüm S ve D yapılmaz. Sadece MOS tüp pimlerinin sonraki adlandırılmasını kolaylaştırmak için, burada aynı harfleri kullanarak, Şekilde iki ayrı S, D, G ve B seti bulunduğuna dikkat edilmelidir.

Şekil 6b'de, iki N+ difüzyon bölgesi arasındaki kanal, GND'ye bağlı bir p - tipi substrata aittir. Şu anda, kanalın üzerindeki G'ye pozitif bir voltaj v₁ uygulanırsa, G ve kanal arasında üretilen elektrik alanı, kanaldaki delikleri dolduracak bazı elektronları çekecektir. V₁, deliği doldurduktan sonra elektronların kalması için yeterince yüksekse, kanal p - tipinden n - tipine değişir ve ardından iki N+ difüzyon bölgesini bağlar, böylece S ve D gerçekleştirilir. V₁ voltajı 0'a düştüğünde, kanal P - tipine döner ve S'yi tekrar D'den izole eder. Bu nedenle, S ve D, bir elektronik anahtarın iki ucuna eşdeğerdir ve bunların açık/kapama ve bağlantısı G'nin voltajı ile kontrol edilir.

Aynı şekilde, Şekil . 6 B'deki N tuzağındaki iki P+ difüzyon bölgesi arasındaki kanal N kuyudur ve N kuyu VDD'ye bağlanır. Bu noktada, kanalın üzerindeki G'ye VDD'nin altındaki bir voltaj v₂ uygulanır ve G ve kanal arasındaki elektrik alanı kanaldaki elektronları iter. V₂ yeterince düşük olduğunda, sadece serbest elektronlar kanaldan değil, aynı zamanda bazı kovalent bağlardaki elektronları da itilir ve kanallar içinde delikler oluşturur. Bu şekilde, kanal n - tipinden P - şekilli olarak değişir, iki P+ difüzyon bölgesini bağlar ve S ve D'nin yürütülmesine izin verir. V₂ voltajı tekrar VDD'ye yükseldiğinde, kanal n - tipine döner, S'yi tekrar D'den izole eder, böylece yapı aynı zamanda G tarafından kontrol edilen bir elektronik anahtardır.

0040-35057 Rev.c Kaynağı, Yarık Valf Ekleme, İşlem Odası

CMO'lar

Kanalın her iki tarafındaki difüzyon bölgeleri kaynak (lar) ve drenaj (d) olarak adlandırılır ve kanalın üzerindeki elektrot plakasına, substratın backgate (b) ile birlikte MOS tüpünü oluşturan kapı (G) denir. İki N+ difüzyon bölgesinden ve bunların karşılık gelen kapılarından oluşan cihaza NMOS tüpleri denir ve iki P+ difüzyon bölgesinden oluşan cihazlara ve bunların karşılık gelen kapılarına PMOS tüpleri denir ve ikisinin sembolleri Şekil . 6 c'de gösterilmiştir.

Erken MOS tüplerinin kapı malzemesi, metal kategorisine ait olan alüminyumdur. Kapı ve kanal arasındaki silika okside aittir. Kanal yarı iletkene aittir. Üç İngilizce kelimenin baş harflerini birleştirerek metal - oksit - Yarıiletken MOS (yani, metal - oksit - yarı iletken) verir, bu yüzden mos tüpü adlandırılır. Gerçek işlemde, kapının altındaki silika tabakasının kalınlığının diğer alanlardan daha az olması gerektiği belirtilmelidir.

MOS tüpleri, kapı voltajı ile kontrol edilen elektronik anahtarlar olarak anlaşılabilir: NMOS tüpleri kapı voltajı yüksek olduğunda açılır ve PMOS tüpleri kapı voltajı düşük olduğunda açılır. Şekil 7'de gösterildiği gibi, PMOS tüpü ve NMOS tüpü, VDD ve GND arasındaki seri olarak bağlanır ve iki kapı giriş portu A olarak birbirine bağlanır ve iki MOS tüpünün drenajları Yüce Port Y olarak birbirine bağlanır. Yüksek olduğunda, NMOS tüpü açılır, PMOS tüpü kesilir ve çıkış y altına çekilir. A düşük olduğunda, NMOS tüpü kesilir, PMOS tüpü açılır ve Y çıkışı yukarı çekilir. Sonuç olarak, A ve Y ters bir faz oluşturur ve devreye invertör denir.

Şekil . 7 'da gösterilen invertörde, PMOS tüpü NMOS tüpünün kapısına bağlandığından ve ikisinin açılması için gereken kapı voltajı zıttır, NMOS tüpü ve PMOS tüpü aynı zamanda açılmayacaktır ve güç kaynağı ile zemin arasında akım akışı yoktur, bu da güç kaynağı ile eşdeğer olmayan yer. İnvertöre ek olarak, NMOS tüpü ve PMOS tüpü, statik çalışma durumunda DC güç tüketimi olmayan çeşitli diğer mantık kapıları da oluşturabilir. NMOS tüplerinin ve PMOS tüplerinin son derece mükemmel tamamlayıcı özellikleri nedeniyle, ikisinden oluşan devreye tamamlayıcı metal - oksit - yarı iletken (CMOS) olarak adlandırılır.

0020-42287 Plaka Perf 8inch EC WXZ

CMOS mantık kapısı dinlendiğinde güç kaynağı ile zemin (yani statik güç tüketimi yok) arasında doğrudan bir akış olmamasına rağmen, mantık geçidi durumu çevirme sırasında, NMOS tüpü ve PMOS tüpü, belirli bir dinamik güç tüketimi üretecek kısa bir eşzamanlı iletim fenomenine sahip olacaktır. Ayrıca, yük kapasitörlerinin mantık kapılarıyla şarj ve boşaltma işlemi de güç tüketimine neden olur. Bu güç tüketiminin tümü mantık kapısının çevirmesi ile ilişkili olduğundan, saat frekansı ne kadar yüksek olursa, CMOS devresinin güç tüketimi o kadar büyük olur; Bununla birlikte, modern büyük - ölçekli entegre devrelerin saat frekansı genellikle yüksektir, bu nedenle CMOS entegre devre tasarımında güç tüketimi ve ısı dağılma sorunlarının çözülmesi hala zor bir sorundur.

CMOS süreci Moore Yasası'na göre gelişmeye devam ettikçe, kapı ve kanal arasındaki silika tabakasının kalınlığı azalmaya devam ediyor ve kapı sızıntısı fenomeni gittikçe daha ciddi hale geliyor. Bu sorun derin submikron işlem aşamasından önce açık değildi, ancak onlarca nanometre proses düğümüne girdikten sonra, geçit sızıntısı gücü toplam devre güç tüketiminin ana kaynağı haline geldi. Derin submikron işlem aşamasından önce, devreyi kapatmak için sadece saat geçidi gereklidir; Bununla birlikte, derin submikron işleminden sonra durum değişir - saatin kapatılmasının yanı sıra, besleme voltajının azaltılması gerekir veya kapı sızıntısı güç tüketimini en aza indirmek için substrat voltajı yükseltilmelidir. Entegre devrelerin ölçeğinin sürekli genişlemesi ile güç tüketimi ve ısı dağılımı tasarım darboğazları haline gelmiştir. Sadece daha fazla teknolojik yenilik yoluyla Moore Yasası'nın sürekli ilerlemesini sağlayabilir ve yongaların entegrasyonunu daha da geliştirebiliriz.