Напівпровідникові та CMOS процеси

Напівпровідник і CMOSPрисеси

Натуральний пісок багатий кремнезем (Sio₂), з якого високий - монокристалічний кремній може бути витягнутий для виготовлення інтегрованих схем. Монокристалічний кремній має надзвичайно високі вимоги до чистоти, які повинні досягти понад 99,99999999% (тобто, 9 9 s), а атоми кремнію повинні бути розташовані відповідно до діамантової структури для утворення кристалічного ядра. Коли орієнтація кристалічної площини кристалічного ядра однакова, може утворюватися монокристалічний кремній; Якщо орієнтація кристалічної площини різна, буде утворено полісилікон.

Як монокристалічний кремній, так і полісилікон можуть використовуватися у виробництві інтегрованих схем, серед яких монокристалічний кремній в основному використовується для побудови кремнієвих субстратів, а полісилікон може використовуватися для виготовлення компонентів, таких як ворота, резистори полісилікону або конденсатори MOS -трубки.

Як показано на малюнку 1, процес виробництва від піску до мікросхеми такий: По -перше, кварцовий пісок використовується як сировина для підготовки монокристалічного кремнію - Вміст кремнезему в кварцовому піску вищий, ніж у звичайного піску, і металургійний кремнію може бути отриманий після обробки; потім очищення, вдосконалення та відкладення кремнію металургійного класу для отримання полісилікону; Завдяки процесу малювання полісилікон може бути перетворений на монокристалічні кремнієві злитки. Розріжте одно кристалічні злитки кремнію на тонкі простирадла, щоб отримати вафлі. На кожній вафлі можна зробити велику кількість вбудованих штампів, які нарізані, випробувані та упаковані для виготовлення продуктів інтегрованого ланцюга (мікросхеми).

Внутрішні напівпровідники

Внутрішні напівпровідники стосуються чистих кристалів, які не містять атомів домішки і не містять структурних дефектів. Германій (GE) та кремнію (SI) є обома квадративними елементами і зазвичай використовуються напівпровідникові матеріали. У внутрішніх напівпровідниках, хоча чотири валентні електрони на самому зовнішньому шарі атомів можуть утворювати ковалентні зв’язки із найвищими електронами навколишніх атомів, під збудженням теплової або світлої енергії, електрони в деяких ковалентних зв’язках можуть вирватися з ковалентних зв’язків, а потім утворювати електропровідні електрони та валентні смуги, які колекційно називаються перевізниками. Оскільки два носії у внутрішніх напівпровідниках завжди з’являються в парах і знаходяться в стані теплової рівноваги, під дією прикладеного електричного поля ці носії можуть рухатися спрямовано, щоб утворити електричний струм, так що матеріал має певну провідність, тому цей тип напівпровідника називається внутрішньопровідниковим.

Якщо до внутрішнього напівпровідника додається певна кількість специфічних атомів домішок, він буде перетворений на внутрішній напівпровідник Non -. Серед них не - Внутрішні напівпровідники, вбудовані з пентавалентними елементами, називаються n - типами напівпровідників, і такі пентавалентні елементи називаються донорами; Non - Внутрішні напівпровідники, включені з тривалентними елементами, називаються p - тип напівпровідників, і ці тривалентні елементи відповідно називаються домішками господаря. На відміну від термічного рівноважного стану внутрішніх напівпровідників, два носії не - внутрішніх напівпровідників завжди перебувають у нерівноважному стані: домінуючий носій називається носієм більшості (називають багатьма), а вторинний носій називається носієм меншини (називають кількома). Оскільки n - тип напівпровідники лежать 5 - елементами валентних елементів, їхні моморрони - це безкоштовні електрони; Напівпровідники р типу лежать тривалентними елементами, а їх молекули-отвори.

Всередині внутрішнього напівпровідника концентрації двох носіїв (електропровідних електронів та отворів валентності) у теплової рівноваги однакові, і ця концентрація називається внутрішньою концентрацією носія. Ця концентрація не є постійною, але залежить від конкретного матеріалу напівпровідника та температури, при якій він розташований -, чим більша температура, тим вище концентрація внутрішнього носія.

У внутрішніх напівпровідниках Non - концентрація більшості носіїв (поліпіона) приблизно еквівалентна допінгу концентрації домішок, як правило, на кілька порядків вище, ніж концентрація внутрішньої носія. Концентрація невеликої кількості носіїв (мало хто), як правило, нижча, ніж у внутрішніх носіїв, а також є кілька порядків різниці між ними. Тому, порівняно з концентрацією частинок Multi -, олігоптонова концентрація надзвичайно низька, що незначно в більшості сценаріїв обчислювальних та аналізу.

Перевізник виробляє рух спрямованого дрейфу, керований силами електричного поля. У слабкому електричному середовищі пряму пропорційну взаємозв'язок задоволений між середньою швидкістю дрейфу v носія та міцністю електричного поля E, який виражається як

(Там, де пропорційний коефіцієнт μ називається рухливість носія, який вимірюється в сантиметрах на вольт секунди, тобто, см/(v · с)).

Цей рух дрейфу носія може утворювати струм дрейфу, а величина струму дрейфу позитивно корелює з рухливістю носія. Слід зазначити, що хоча фактичний напрямок дрейфу отворів і вільних електронів є протилежним під дією електричної сили поля, напрямок струму дрейфу, утворений кожним із них, точно такий же, тому загальний струм дрейфу всередині напівпровідника дорівнює суперпозиції струму дрейфу отвору та струму дрейфу вільного електрон.

Коли міцність прикладеного електричного поля однакова, чим більша щільність струму дрейфу напівпровідника, тим сильніша його провідність. Подальший аналіз показує, що щільність струму дрейфу не лише пропорційна рухливості носія, але й концентрації носія. Хоча концентрація несучих внутрішніх напівпровідників не дорівнює нулю і може виробляти слабкі струми дрейфу в рамках дії електричних полів, мульти - підзапрати не - внутрішні напівпровідники, як правило, багато порядків, що вища, ніж концентрації внутрішніх несучих носіїв. більший, ніж у внутрішніх напівпровідників. Тому щільність струму дрейфу внутрішніх напівпровідників зазвичай незначна при обчисленні струму дрейфу.

P-Введіть і n - Введіть напівпровідники

Q - Завдяки надзвичайно малому щільності струму дрейфу внутрішніх напівпровідників, внутрішні напівпровідники зазвичай можна розглядати як ізолятори порівняно з внутрішніми напівпровідниками Non -. Через це напівпровідникові матеріали, що використовуються у фактичному виготовленні інтегрованих схем, не є внутрішніми напівпровідниками. Провідність не - внутрішніх напівпровідників тісно пов'язана з мобільністю μ мультиплотів: чим більша мобільність, тим сильнішою провідністю напівпровідника та тим швидше пристрою, зробленого на напівпровіднику.

Дані мобільності носія для германію (GE) та кремнію (SI) показані в таблиці 2 (де вільна рухливість електронів записується як мкн, а рухливість отвору записується як мкП). Безкоштовна мобільність електронів μN як GE, так і SI значно більша, ніж мобільність отворів μP, тому N - Напівпровідникові пристрої працюють значно краще, ніж P - Напівпровідникові пристрої в ключових показниках ефективності, таких як посилення, характеристики частоти та здатність водіння.

Як показано на малюнку 2, коли N - тип напівпровідник і P - Напівпровідник типу опиняється в тісному контакті, на інтерфейсі між ними утворюватиметься перехід PN. У області переходу вільні електрони в N області дифузні до Р -області, а отвори в області Р дифузні до N області. Після цього дифузійного руху внутрішнє електричне поле утворюється на інтерфейсі від N області до Р. Зі поступово міцність внутрішнього електричного поля поступово зростає, кінцева сила дифузії та внутрішня сила електричного поля досягають стану рівноваги, а дифузійний рух зупиняється. У цей час на інтерфейсі перехрестя буде утворюватися регіон без вільних електронів та отворів, який називається областю простору і часто називають зоною виснаження. Якщо електроди витягуються на обох кінцях переходу PN, діод може бути сформований -, електрод з P -області - анод, а електрод з N області - катод.

Застосування напруги до обох кінців діода може порушити вихідну рівновагу між силою дифузії та силою електричного поля. Якщо застосована напруга відповідає катодному потенціалу, що перевищує анодний потенціал, застосована напруга збільшить внутрішню силу електричного поля, внаслідок чого носій все ще не може здійснити дифузійний рух -, оскільки немає дифузійного струму, діод знаходиться в розрізі -} від стану. Навпаки, застосована напруга послабить внутрішню силу електричного поля, носій знову почне дифузувати, а дифузійний струм буде генеруватися всередині діода, в цей момент діод буде входити в стан провідності. Ця здатність увімкнути або вимикати за допомогою застосованої напруги робить діод однонаправленим, що, в свою чергу, відіграє ключову роль у ланцюзі. У процесі CMOS утворюється декілька типів PN -з'єднань, які можуть бути використані не лише для виготовлення діодів в інтегрованих схемах, але й для досягнення електричної ізоляції між пристроями у стані зворотного зміщення.

Процес введення 5 - валентних або 3-валентних елементів у напівпровідники називають допінгом, а процес допінгу зазвичай використовується при імплантації іонів. Коли концентрація іонної імплантації низька, вона злегка лежить (виражена у вигляді N⁻, N⁻ або P⁻, P⁻); Коли концентрація іонної імплантації висока, вона лежить в списку (виражається як N⁺, N⁺ або P⁺, P⁺). Очевидно, що провідність сильно легованих напівпровідників краща, ніж у злегка легованих напівпровідників.

Коли місцеве важке допінг проводиться у великій області легкої допінгової зони, легка легована площа, як правило, називається підкладкою, а важка допінг -область називається зоною дифузії (дифузії) або активною (активною). Тип напівпровідника в зоні дифузії та підкладки може бути однаковим (обидва n - тип або p - тип) або різні (гетероморфізм). У процесі CMOS існує дві ситуації: допінг гомотипу в основному використовується для навчання електрода та реалізації з'єднання через омічний контакт, а спеціальний - тип допінг в основному використовується для побудови ізоляційної структури між пристроєм MOS та підкладкою.

Напівпровідникові пристрої потрібно вести з електрода через метал. Коли напівпровідник контактує з металом, Redoping дозволяє електронам тунель через контактний бар'єр, що призводить до низького - омічні контакти, які можуть бути використані для отримання електродів. Однак у випадку легкого допінгу контактний опір між напівпровідником і металом надзвичайно великий, і ефект підключення електрода не є хорошим, тому його не можна використовувати для виходу з електрода. Тому для вилучення електрода з низького допінгового підкладки - підкладка повинна бути локально re -, допедованою ізоморфізмом, а потім вводиться металевий електрод.

Як показано на фіг . 3, структура профілю N - добре, а метал підключений до омічного контакту. N - пастки злегка лежать N - тип напівпровідників, які часто використовуються як субстрати і повинні бути підключені до джерела живлення VDD. Для досягнення ефективного з'єднання необхідний ізоморфний роздужень у свердловини N -, щоб утворити область дифузії N⁺, тим самим контактуючи з металом для побудови Ом. Слід зазначити, що кремнезем (Sio₂) на малюнку 3 використовується для досягнення ізоляції ізоляції між металом та напівпровідником, а для утворення омічного контакту між металевою та областю дифузії N⁺, отвори потрібно відкрити в шарі Sio₂, який називається контактними отворами.

Оскільки введення спеціальних іонів форми}} може утворювати діоди PN між областю дифузії та підкладкою, множинні ділянки дифузії на одній субстраті можуть бути виділені один від одного діодом, доки напруга зміщення буде розумно контрольованою таким чином, щоб діод завжди був у стані зворотного зміщення. 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 Область, яка може забезпечити, щоб два діоди завжди були у стані зворотного зміщення, а потім усвідомлюють ізоляцію діода між двома областями дифузії P⁺.

Аналогічно, якщо підкладка типу P - підключена до найнижчого потенціалу GND, можна досягти виділення діода між декількома областями дифузії N⁺. На фіг . 5 відображається структура профілю ізоляції діода N - процес свердловини, який показує структуру ізоляції діода між двома зонами дифузії P⁺ та між двома дифузійними зонами N⁺. Підкладка всієї вафлі на рисунку - це підкладка типу P -, а N - пастка виготовлена ​​вгорі підкладки типу P -. У поєднанні з потенційним співвідношенням на фіг . 5 видно, що діод PN Junction між підкладкою N - і P - підкладкою також знаходиться у стані зворотного відхилення, що забезпечує ізоляцію між N -, і P -} типу. Цей процес, який містить лише N пастки і не встановлює P пастки, називається N Well Process.

Як показано на фіг . 6 A, якщо дві області дифузії P+ вводяться в N -} добре, або дві області дифузії N+, вводяться в підкладку P -, область між двома зонами дифузії визначається як канал, а канал і підпострат - ціле. Субстрат посилається буквою B, а зон дифузії з обох боків каналу представлені S і D, які з'єднані з металом контактними отворами. 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 Держава, тому всі S і D на малюнку не проводяться. Слід зазначити, що на малюнку є два окремих наборів S, D, G і B, використовуючи ті самі букви тут, щоб полегшити подальше іменування шпильок MOS Tube.

На малюнку 6b канал між двома областями дифузії N+ належить до підкладки типу P -, який підключений до GND. У цей час, якщо позитивна напруга V₁ застосовується до G над каналом, електричне поле, що генерується між G та каналом, приверне деякі електрони, що заповнить отвори в каналі. Якщо v₁ досить високий, що електрони залишаються після заповнення отвору, канал зміниться з типу P - до N - типу, а потім підключіть дві області дифузії N+, так що S і D проводяться. Коли напруга V₁ падає до 0, канал повертається до типу P -, ізолюючи S від D знову. Тому S і D еквівалентні двом кінцям електронного вимикача, а їх включення/вимкнення та відключення керуються напругою G.

Таким же чином, канал між двома областями дифузії P+ у N -пастці на фіг . 6 B - N свердловини, а N свердловини підключений до VDD. У цей момент на G над каналом застосовується напруга V₂ нижче VDD, а електричне поле між G та каналом відштовхує електрони в каналі. Коли V₂ досить низький, не тільки вільні електрони відштовхуються з каналу, але й електронів у деяких ковалентних зв’язках, утворюючи отвори в межах каналів. Таким чином, канал змінюється від n - введіть у форму p -, з'єднуючи дві зон дифузії Р+ і дозволяючи S і D проводити. Коли напруга v₂ знову піднімається до VDD, канал повертається до n - типу, ізолюючи s від d знову, тому структура також є електронним перемикачем, керованим G.

0040-35057 Зв зварювання, вставка на щілинний клапан, технологічна камера

CMOS

Зони дифузії з обох боків каналу називаються джерелом (S) та стоком (d), а електродна пластина над каналом називається воротами (g), яка разом із резервним (b) підкладки складає трубку MOS. Пристрій, що складається з двох областей дифузії N+ та їх відповідних воріт, називається трубами NMOS, а пристрої, що складаються з двох областей дифузії Р+, і їх відповідні ворота називаються трубами PMOS, а символи двох показані на фіг . 6 c.

Матеріал воріт ранніх труб MOS - це алюміній, який належить до категорії металу. Кремнію між воріт і каналом належить до оксиду. Канал належить до напівпровідника. Поєднання ініціалів трьох англійських слів метал - оксид - напівпровідник дає MOS (тобто метал - оксид - напівпровідник), саме тому MOS -трубка названа. Слід зазначити, що у фактичному процесі товщина шару кремнезему нижче воріт повинна бути меншою, ніж у інших областей.

Трубки MOS можна просто розуміти як електронні вимикачі, керовані напругою затвора: трубки NMOS включаються, коли напруга затвора висока, а трубки PMOS вмикаються, коли напруга затвора низька. Як показано на малюнку 7, трубка PMOS та NMOS з'єднані послідовно між VDD та GND, і дві ворота з'єднані разом у вигляді вхідного порту A, а стоки двох труб MOS з'єднані разом у вигляді вихідного порту Y. Коли A високо, вмикається трубка NMOS, витягується трубка NMOS, витягується вниз. Коли A низький, трубка NMOS відрізана, трубка PMOS увімкнена, а вихід Y підтягується. Як результат, A і Y утворюють зворотну фазу, а схема називається інвертором.

У інверторі, показаному на фіг . 7, оскільки трубка PMOS підключена до воріт трубки NMOS, а напруга воріт, необхідна для включення двох, є протилежною, і труба NMOS та трубка PMOS не будуть ввімкнені одночасно, і немає поточного потоку між джерелом живлення та землею, що не є рівнозначним. Окрім інвертора, трубка NMOS та трубка PMOS також можуть утворювати різні інші логічні ворота, які також не мають споживання постійного струму в статичному робочому стані. Завдяки надзвичайно досконалим допоміжним характеристикам труб NMOS та труб PMOS, ланцюг, що складається з двох, названий комплементарним металом - оксидом - напівпровідником (CMOS).

0020-42287 Пластина Perf 8inch EC WXZ

Незважаючи на те, що між джерелом живлення та землею немає прямого потоку (тобто, немає статичного споживання електроенергії), коли логічна ворота CMOS знаходиться в спокої, під час перегляду стану логічних воріт, трубка NMOS та трубка PMOS матимуть коротке одночасне явище провідності, що генеруватиме певне споживання динаміки. Крім того, процес зарядки та розрядження конденсаторів навантаження за логічними воротами також полягає у споживанні електроенергії. Оскільки ці споживання електроенергії пов'язані з перегортанням логічного воріт, чим більша частота тактової, тим більше споживання електроенергії схеми CMOS; Однак тактова частота сучасних великих інтегрованих схем -, як правило, висока, тому вирішення споживання електроенергії та проблеми з розсіюванням тепла все ще є складною проблемою в конструкції інтегрованої схеми CMOS.

Оскільки процес CMOS продовжує розвиватися відповідно до закону Мура, товщина шару кремнезему між воротами та каналом продовжує зменшуватися, а явище витоку воріт стає все більш серйозним. Ця проблема була не очевидною до стадії глибокого субмікронного процесу, але після введення в десятки вузла процесів нанометрів, потужність витоку затвора стала основним джерелом загального споживання електроенергії. Перед етапом глибокого субмікронного процесу необхідний лише годинник для вимкнення ланцюга; Однак, після глибокого процесу субмікронного процесу, ситуація змінюється - на додаток до вимкнення годин, напруга живлення повинна бути зменшена або напруга підкладки повинна бути піднята, щоб мінімізувати споживання живлення витоку. З постійним розширенням масштабу інтегрованих схем, споживання електроенергії та розсіювання тепла стали дизайнерськими вузькими вузькими вузькими місцями. Тільки завдяки більш технологічним інноваціям ми можемо забезпечити постійне просування закону Мура та ще більше покращити інтеграцію мікросхем.