Halvleder- og CMOS -processer

Halvleder og CMOSPRocesses

Naturligt sand er rig på silica (siO₂), hvorfra høj - renhed monokrystallinsk silicium kan ekstraheres til fremstilling af integrerede kredsløb. Monokrystallinsk silicium har ekstremt høje renhedskrav, som skal nå mere end 99.99999999% (dvs. 9 9 s), og siliciumatomer skal arrangeres i henhold til diamantstrukturen for at danne en krystalkern. Når krystalplanorienteringen af ​​krystalkernen er den samme, kan monokrystallinsk silicium dannes; Hvis orienteringen af ​​krystalplanet er anderledes, dannes polysilicon.

Både monokrystallinsk silicium og polysilicium kan bruges til fremstilling af integrerede kredsløb, blandt hvilke monokrystallinsk silicium hovedsageligt bruges til at bygge siliciumsubstrater, og polysilicon kan bruges til at fremstille komponenter, såsom porte, polysiliconmodstand eller kondensatorer af MOS -rør.

Som vist i figur 1 er produktionsprocessen fra sand til chip som følger: For det første bruges kvartssand som råmateriale til at fremstille enkelt krystalsilicium - Silica -indholdet i kvartssand er højere end for almindeligt sand, og metallurgisk kvalitet silicium kan opnås efter raffinering af behandlingen; derefter rensende, raffinering og deponering af metallurgisk kvalitet silicium for at producere polysilicium; Gennem tegningsprocessen kan polysilicon omdannes til monokrystallinske siliciumindhold. Klip de enkelte krystalsiliciumindhold i tynde lagner for at få skiver. Et stort antal integrerede kredsløb dør kan fremstilles på hver skive, der er skåret, testet og pakket for at fremstille integrerede kredsløbschip (chip) produkter.

Intrinsiske halvledere

Intrinsiske halvledere henviser til rene krystaller, der er fri for urenhedatomer og fri for strukturelle defekter. Germanium (GE) og silicium (SI) er begge kvadrivalente elementer og bruges ofte halvledermaterialer. I iboende halvledere, selv om de fire valenselektroner på det yderste lag af atomer kan danne kovalente bindinger med de yderste elektroner af omgivende atomer, under excitation af varme eller lysenergi, kan elektronerne i nogle kovalente bindinger bryde fri fra de kovalente bindinger, og derefter form ledende båndelektroner og valensbånd, som er samlet, der kaldes bærer. Fordi de to bærere i iboende halvledere altid vises parvis og er i en tilstand af termisk ligevægt under handlingen af ​​et anvendt elektrisk felt, kan disse bærere bevæge sig retningsbestemt for at danne en elektrisk strøm, så materialet har en bestemt ledningsevne, så denne type halvleder kaldes iNtrinsic Semiconductor.

Hvis der tilsættes en vis mængde specifikke urenhedatomer til den iboende halvleder, vil den blive omdannet til en ikke - iboende halvleder. Blandt dem kaldes ikke - iboende halvledere, der er inkorporeret med pentavalente elementer, n - type halvledere, og sådanne pentavalente elementer kaldes donor urenheder; Ikke - Intrinsic Semiconductors inkorporeret med trivalente elementer kaldes p - type halvledere, og disse trivalente elementer kaldes tilsvarende værtsorienteringer. I modsætning til den termiske ligevægtstilstand for iboende halvledere, er de to bærere i ikke - iboende halvledere altid i en ulige tilstand: den dominerende transportør kaldes majoritetsbæreren (kaldet de mange), og den sekundære transportør kaldes minoritetsbæreren (refereret til som de få). Da n - type halvledere er dopet med 5 - valentelementer, er deres momotroner frie elektroner; P-type halvledere er dopet med trivalente elementer, og deres molekyler er huller.

Inde i den iboende halvleder er koncentrationerne af de to bærere (ledende båndelektroner og valensbåndhuller) i termisk ligevægt de samme, og denne koncentration kaldes den iboende bærerkoncentration. Denne koncentration er ikke konstant, men afhænger af det specifikke materiale i halvlederen og temperaturen, hvormed den er placeret -, jo højere er temperaturen, jo højere er koncentrationen af ​​den iboende bærer.

I ikke - iboende halvledere er koncentrationen af ​​de fleste bærere (polypion) omtrent ækvivalent med dopingkoncentrationen af ​​urenheder, normalt flere størrelsesordener højere end den iboende bærekoncentration. Koncentrationen af ​​et lille antal bærere (få) er generelt lavere end for iboende bærere, og der er også flere størrelsesordener mellem de to. Sammenlignet med multi - partikelkoncentrationen er den oligoptoniske koncentration derfor ekstremt lav, hvilket er ubetydelig i de fleste beregnings- og analysescenarier.

Luftfartsselskabet producerer en retningsbestemt drivbevægelse drevet af elektriske feltstyrker. I et svagt elektrisk feltmiljø er et direkte proportionalt forhold opfyldt mellem den gennemsnitlige drivhastighed V for transportøren og den elektriske feltstyrke E, der udtrykkes som

(hvor den proportionelle koefficient μ kaldes bærerens mobilitet, der måles i centimeter pr. Volt sekund, dvs. cm/(v · s)).

Denne driftbevægelse af transportøren kan danne en driftstrøm, og størrelsen af ​​driftstrømmen er positivt korreleret med bærermobiliteten. Det skal bemærkes, at selv om den faktiske drivretning af huller og frie elektroner er modsat under virkningen af ​​elektrisk feltkraft, er driftstrømsretningen dannet af hver af dem nøjagtigt den samme, så den samlede drivstrøm inde i halvlederen er lig med superpositionen af ​​huldriftstrømmen og den frie elektrondriftstrøm.

Når styrken af ​​det påførte elektriske felt er den samme, jo større drivende strømtæthed af halvlederen er, jo stærkere dens ledningsevne. Yderligere analyse viser, at driftens strømtæthed ikke kun er direkte proportional med bærerens mobilitet, men også til koncentrationen af ​​transportøren. Selvom bærerkoncentrationen af ​​iboende halvledere ikke er nul og kan producere svage drivstrømme under virkning af elektriske felter, er multi - underkoncentrationerne af ikke - Intrinsic halvledere normalt mange størrelsesordrer højere end den iboende bærerkoncentration, hvilket gør driftens strømtæthed af ikke -- intrinsiske taske -bærer -koncentrationer, hvilket gør driftens strømning af ikke -ikke -{-}} intrinsic taskeformere i lang tid langsrefororer i længderere i lang tid i driftsstrømmen med ikke {{{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} intrinsic bærer bærer der end for iboende halvledere. Derfor er driftens strømtæthed af iboende halvledere normalt ubetydelig, når driftstrømmen beregnes.

P-type og n - type halvledere

Q - På grund af den ekstremt lille driftstrømdensitet af iboende halvledere kan iboende halvledere normalt betragtes som isolatorer sammenlignet med ikke - iboende halvledere. På grund af dette er halvledermaterialerne, der bruges til den faktiske fremstilling af integrerede kredsløb, ikke - iboende halvledere. Konduktiviteten af ​​ikke - Intrinsic Semiconductors er tæt knyttet til mobiliteten μ af multiploner: jo større er mobiliteten, jo stærkere er ledningsevnen for halvlederen og jo hurtigere enheden er lavet på halvlederværkerne.

Carrier Mobility Data for Germanium (GE) og Silicon (SI) er vist i tabel 2 (hvor fri elektronmobilitet er skrevet som μN og hulmobilitet er skrevet som μP). Den frie elektronmobilitet μn af både GE og SI er meget større end for hulmobilitet μP, så n - type halvlederindretninger fungerer markant bedre end p - type halvlederenheder i nøgleprestationsindikatorer som gevinst, frekvensegenskaber og kørekapacitet.

Som vist i figur 2, når n - type halvleder og p - type halvleder er i tæt kontakt, vil der dannes et PN -kryds ved grænsefladen mellem de to. I forbindelsesregionen diffunderer frie elektroner i N -regionen til P -regionen, mens huller i P -regionen diffunderer til N -regionen. Efter at denne diffusionsbevægelse forekommer, dannes et internt elektrisk felt ved grænsefladen fra N -regionen til P -regionen. Efterhånden som styrken af ​​det interne elektriske felt gradvist øges, når den endelige diffusionskraft og den interne elektriske feltkraft en ligevægtstilstand, og diffusionsbevægelsen stopper. På dette tidspunkt vil der dannes en region uden frie elektroner og huller ved skæringsgrænsefladen, der kaldes rumladningsregionen og kaldes ofte udtømningszonen. Hvis elektroderne trækkes ud i begge ender af PN -krydset, kan der dannes en diode - elektroden fra P -regionen er anoden, og elektroden fra N -regionen er katoden.

Påføring af spænding til begge ender af dioden kan bryde den oprindelige ligevægt mellem diffusionskraften og den elektriske feltkraft. Hvis den påførte spænding opfylder katodepotentialet højere end anodepotentialet, vil den påførte spænding øge den interne elektriske feltkraft, hvilket får bæreren til at stadig ikke være i stand til at udføre diffusionsbevægelse -, da der ikke er nogen diffusionsstrøm, er dioden i en udskæring - fra staten. Tværtimod vil den påførte spænding svække den interne elektriske feltkraft, bæreren vil begynde at diffundere igen, og diffusionsstrømmen genereres inde i dioden, på hvilket tidspunkt dioden kommer ind i ledningstilstanden. Denne evne til at tænde eller slukke med den påførte spænding gør dioden ensrettet ledende ledende, som igen spiller en nøglerolle i kredsløbet. I CMOS -processen dannes flere typer PN -kryds, som ikke kun kan bruges til fremstilling af dioder i integrerede kredsløb, men også til at opnå elektrisk isolering mellem enheder i den omvendte bias -tilstand.

Processen med at indføre 5 - valent eller 3-valente elementer i halvledere kaldes doping, og dopingprocessen bruges ofte ved ionimplantation. Når ionimplantationskoncentrationen er lav, er den let dopet (udtrykt som N⁻, N⁻ eller P⁻, P⁻); Når ionimplantationskoncentrationen er høj, er den he-dopet (udtrykt som N⁺, N⁺ eller P⁺, P⁺). Naturligvis er konduktiviteten af ​​stærkt dopede halvledere bedre end for let doterede halvledere.

Når lokal tung doping udføres i et stort område med lysdopingområde, kaldes det lette dopede område generelt underlaget, og det tunge dopingområde kaldes diffusionszonen (diffusion) eller aktivt (aktivt). Typen af ​​halvleder i diffusionszonen og substratet kan være den samme (både n - type eller p - type) eller forskellig (heteromorfisme). I CMOS -processen er der to situationer: homotype doping bruges hovedsageligt til at uddanne elektroden og realisere forbindelsen gennem ohmisk kontakt, og speciel - type doping bruges hovedsageligt til at konstruere en isolationsstruktur mellem MOS -enheden og underlaget.

Halvlederenheder skal føres ud af elektroden gennem metal. Når en halvleder kommer i kontakt med et metal, giver Redoping elektroner mulighed for at tunneles gennem kontaktbarrieren, hvilket resulterer i lav - modstand ohmiske kontakter, der kan bruges til at fremkalde elektroder. I tilfælde af lysdoping er kontaktmodstanden mellem halvlederen og metallet imidlertid ekstremt stort, og elektrodeforbindelseseffekten er ikke god, så den kan ikke bruges til at føre elektroden ud. Derfor, for at ekstrahere elektroden fra det lave - dopingsubstrat, skal substratet lokalt re - dopet med isomorfisme, og derefter introduceres metalelektroden.

Som vist i fig. . 3 er profilstrukturen af ​​n - godt, og metallet er forbundet med ohmisk kontakt. N - fælder er let doterede n - type halvledere, der ofte bruges som underlag og skal tilsluttes en strømforsyning VDD. For at opnå effektiv forbindelse kræves isomorf redopering i n - godt for at danne et N⁺ -diffusionsområde og derved kontakte metallet for at konstruere ohm. Det skal bemærkes, at silica (SIO₂) i figur 3 bruges til at opnå isoleringsisolering mellem metal og halvleder, og for at danne ohmisk kontakt mellem metal og N⁺ -diffusionsregion skal huller åbnes i SiO₂ -laget, der kaldes kontakthuller.

Da injektionen af ​​specielle - -formede ioner kan danne pn -krydsdioder mellem diffusionsområdet og substratet, kan flere diffusionsregioner på det samme substrat isoleres fra hinanden ved dioden, så længe bias -spændingen er rimeligt kontrolleret, så dioden altid er i den omvendte bias -tilstand. As shown in Fig. 4, the diode isolation profile structure of the two P⁺ diffusion regions is shown in Fig. 4: the two P⁺ diffusion regions in the N-well form two independent diodes with the N-well, and the N-well is connected to the highest potential VDD through the N⁺ diffusion region, which kan sikre, at de to dioder altid er i den omvendte bias -tilstand, og indse derefter diodeisoleringen mellem de to P⁺ -diffusionsregioner.

Tilsvarende, hvis p - -substratet er forbundet til den laveste potentielle GND, kan diodeisoleringen mellem flere N⁺ -diffusionsregioner opnås. Fig. . 5 viser diodeisoleringsprofilstrukturen af ​​N - -processen, der viser diodisoleringsstrukturen mellem de to P⁺ -diffusionszoner og mellem de to N⁺ diffusionszoner. Substratet for hele skiven i figuren er en p - type substrat, og n - fælde er lavet oven på p - type underlag. Kombineret med det potentielle forhold i fig. . 5 kan det ses, at pn -krydsdioden mellem n - godt og p - -typen understrat også er i den omvendte afbøjningstilstand, hvilket sikrer isoleringen mellem n - godt og p - -ens undergrænse. Denne proces, der kun indeholder N -fælder og ikke indstiller P -fælder, kaldes N -brøndproces.

Som vist i fig. . 6 A, hvis to P+ -diffusionsregioner injiceres i n -, eller to N+ -diffusionsregioner, er de defineret som en kanal, og kanalen og substratet er en helhed. Substratet henvises til af bogstavet B, og diffusionszoner på begge sider af kanalen er repræsenteret af S og D, som er forbundet til metallet ved kontakthuller. Lav en metalelektrode direkte over kanalen, som er betegnet med bogstavet G. kombineret med det spændingsforhold, der er påført i fig. . 6, kan det ses, at PN -krydsdioden mellem n - godt og p- -typen er også underlaget i den omvendte forspændingsstat, og diffusionszonen på begge sider og de kantive underprodukt er også undernedskærmen, og diffusionsområdet på diffusionszonen på de kanals kanal og de modtagne underpå er underlagt bias, og det er underlagt bien Stat, så alle S og D i figuren udføres ikke. Det skal bemærkes, at der er to separate sæt S, D, G og B i figuren ved hjælp af de samme bogstaver her, bare for at lette den efterfølgende navngivning af MOS -rørstifterne.

I figur 6b hører kanalen mellem de to n+ diffusionsregioner til et p - -substrat, der er forbundet til GND. På dette tidspunkt, hvis en positiv spænding v₁ påføres g over kanalen, vil det elektriske felt, der genereres mellem G, og kanalen tiltrække nogle elektroner, som vil fylde hullerne i kanalen. Hvis V₁ er høj nok til, at elektroner forbliver efter at have fyldt hullet, ændres kanalen fra p - type til n - type, og tilslut derefter de to n+ diffusionsregioner, så S og D udføres. Når spændingen af ​​V₁ falder til 0, vender kanalen tilbage til p - -typen, isolerende fra D igen. Derfor er S og D ækvivalente med de to ender af en elektronisk switch, og deres on/off og afbrydelse styres af spændingen af ​​G.

På samme måde er kanalen mellem de to P+ -diffusionsregioner i N -fælden i fig. . 6 B N -brønden, og N -brønden er forbundet til VDD. På dette tidspunkt påføres en spænding V₂ under VDD på G over kanalen, og det elektriske felt mellem G og kanalen afviser elektroner i kanalen. Når V₂ er lav nok, afvises ikke kun frie elektroner ud af kanalen, men også elektroner i nogle kovalente bindinger, der danner huller i kanalerne. På denne måde skifter kanalen fra n - type til p - formet, forbinder de to P+ diffusionszoner og giver S og D mulighed for at udføre. Når spændingen af ​​V₂ stiger igen til VDD, vender kanalen tilbage til n - type, isolering af S igen, så strukturen er også en elektronisk switch, der kontrolleres af G.

0040-35057 Rev.C Weldment, Slit Valve Insert, Process Chamber

CMOS

Diffusionszoner på begge sider af kanalen kaldes kilde (er) og dræning (D), og elektrodepladen over kanalen kaldes Gate (G), som sammen med backgate (B) på underlaget udgør MOS -røret. Enheden sammensat af to N+ diffusionsregioner og deres tilsvarende porte kaldes NMOS -rør, og enhederne sammensat af to P+ diffusionsregioner og deres tilsvarende porte kaldes PMOS -rør, og symbolerne på de to er vist i fig.. 6 c.

Gate -materialet i de tidlige MOS -rør er aluminium, der hører til kategorien metal. Silica mellem porten og kanalen hører til oxid. Kanalen hører til halvlederen. Kombination af initialerne til de tre engelske ord metal - oxid - halvleder giver MOS (dvs. metal - oxid - halvleder), hvorfor MOS -røret er navngivet. Det skal påpeges, at tykkelsen af ​​silicagaget under porten i den faktiske proces skal være mindre end for andre områder.

MOS -rør kan simpelthen forstås, da elektroniske kontakter kontrolleres af gortspænding: NMOS -rør tændes, når portspændingen er høj, og PMOS -rør tændes, når portspændingen er lav. Som vist i figur 7 er PMOS -røret og NMOS -røret forbundet i serie mellem VDD og GND, og ​​de to porte er forbundet sammen som inputport A, og dræningene på de to Mos -rør er forbundet sammen som udgangsport Y. Når A er høj, er NMOS -røret tændt, er PMOS -røret afskåret, og udgangen Y trækkes ned. Når A er lavt, er NMOS -røret afskåret, PMOS -røret er tændt, og output y trækkes op. Som et resultat danner a og y en omvendt fase, og kredsløbet kaldes en inverter.

I inverteren vist i fig. . 7, fordi PMOS -røret er forbundet til porten til NMOS -røret, og den portspænding, der kræves for at de to skal tændes, er modsat, er NMOS -røret og PMOS -røret ikke tændt på samme tid, og der er ingen strømmen mellem strømforsyningen og jorden, hvilket er svarende til noget statisk strømforbrug. Foruden inverteren kan NMOS -røret og PMOS -røret også danne forskellige andre logiske porte, som heller ikke har noget DC -strømforbrug i den statiske driftstilstand. På grund af de ekstremt perfekte komplementære egenskaber ved NMOS -rør og PMOS -rør, kaldes kredsløbet sammensat af de to komplementære metal - oxid - halvleder (CMOS).

0020-42287 Plate Perf 8 tommer EC WXZ

Selvom der ikke er nogen direkte strømning mellem strømforsyningen og jorden (dvs. intet statisk strømforbrug), når CMOS -logikporten er i hvile, under den logiske porttilstand flip, vil NMOS -røret og PMOS -røret have et kort samtidigt ledningsfænomen, der vil generere et bestemt dynamisk strømforbrug. Derudover påtager processen med opladning og udledning af belastningskondensatorer med logiske porte også strømforbruget. Da dette strømforbrug alle er relateret til flipping af logikporten, jo højere er urfrekvensen, jo større er strømforbruget i CMOS -kredsløbet; Imidlertid er urfrekvensen af ​​moderne store - skala -integrerede kredsløb generelt høj, så det er stadig et vanskeligt problem i CMOS -integreret kredsløbsdesign.

Efterhånden som CMOS -processen fortsætter med at udvikle sig i henhold til Moore's lov, falder tykkelsen af ​​silicagaget mellem porten og kanalen fortsat med at falde, og portens lækagefænomen bliver mere og mere alvorlig. Dette problem var ikke indlysende før den dybe submicron -processtadium, men efter at have indtastet de titusinder af nanometre -procesnode er Gate Leakage Power blevet den vigtigste kilde til det samlede kredsløbseffektforbrug. Før den dybe submikron -processtadium kræves det kun ur -gating for at lukke kredsløbet ned; Efter den dybe submicron -proces ændres situationen imidlertid - ud over at lukke uret ned, skal forsyningsspændingen reduceres, eller underlagsspændingen skal hæves for at minimere gate lækage strømforbrug. Med den kontinuerlige udvidelse af omfanget af integrerede kredsløb er strømforbrug og varmeafledning blevet designflaskehalse. Kun gennem mere teknologisk innovation kan vi sikre den kontinuerlige fremme af Moore's lov og forbedre integrationen af ​​chips yderligere.