Procese cu semiconductor și CMOS

Semiconductor și CMOSPRocess

Nisipul natural este bogat în silice (sio₂), din care se poate extrage siliciul monocristalin de puritate ridicat - pentru a fabrica circuite integrate. Siliconul monocristalin are cerințe de puritate extrem de ridicate, care trebuie să atingă mai mult de 99.99999999% (adică, 9 9 s), iar atomii de siliciu trebuie să fie aranjați în funcție de structura de diamante pentru a forma un nucleu de cristal. Când orientarea planului de cristal a nucleului de cristal este aceeași, se poate forma siliciu monocristalin; Dacă orientarea planului de cristal este diferită, se va forma polisilicon.

Atât siliconul monocristalin, cât și polisiliconul pot fi utilizate la fabricarea circuitelor integrate, printre care siliconul monocristalin este utilizat în principal pentru a construi substraturi de siliciu, iar polisiliconul poate fi utilizat pentru a face componente precum porți, rezistențe polisilicon sau capacități de tuburi MOS.

După cum se arată în figura 1, procesul de producție de la nisip la cip este următorul: În primul rând, nisipul de cuarț este utilizat ca materie primă pentru a pregăti siliconul cu un singur cristal - Conținutul de silice din nisip de cuarț este mai mare decât cel al nisipului obișnuit, iar siliciul de calitate metalurgică poate fi obținut după rafinarea tratamentului; apoi purificarea, rafinarea și depunerea siliciului de calitate metalurgică pentru a produce polisilicon; Prin procesul de desen, polisiliconul poate fi transformat în lingouri de siliciu monocristalin. Tăiați lingourile de siliciu cu un singur cristal în foi subțiri pentru a obține napolitane. Un număr mare de matrițe de circuit integrat pot fi realizate pe fiecare placă, care sunt feliate, testate și ambalate pentru a face produse CIP (CHIP) integrate.

Semiconductori intrinseci

Semiconductorii intrinseci se referă la cristale pure care nu sunt atomi de impuritate și fără defecte structurale. Germaniu (GE) și siliciu (SI) sunt ambele elemente quadrivalente și sunt materiale semiconductoare utilizate în mod obișnuit. În semiconductorii intrinseci, deși cei patru electroni de valență de pe stratul exterior al atomilor pot forma legături covalente cu electronii exteriori ai atomilor înconjurători, sub excitația de căldură sau energie ușoară, electronii în unele legături covalente se pot elibera de legături covalente, iar apoi formează electroni de bandă conductivă și găuri de bandă de valență, care sunt colectivi numiți carrieri. Deoarece cei doi purtători din semiconductori intrinseci apar întotdeauna în perechi și se află într -o stare de echilibru termic, sub acțiunea unui câmp electric aplicat, acești transportatori se pot deplasa direcțional pentru a forma un curent electric, astfel încât materialul să aibă o anumită conductivitate, astfel încât acest tip de semiconductor se numește semiconductor intrinsec.

Dacă se adaugă o anumită cantitate de atomi de impuritate specifice la semiconductorul intrinsec, acesta va fi transformat într -un semiconductor intrinsec non -. Printre ele, non - semiconductori intrinseci încorporați cu elemente pentavalente se numesc n - semiconductori de tip, iar astfel de elemente pentavalente sunt numite impurități donatoare; Non - Semiconductori intrinseci încorporați cu elemente trivalente se numesc semiconductori de tip P -, iar aceste elemente trivalente sunt numite în mod corespunzător impurități gazdă. Spre deosebire de starea de echilibru termic a semiconductorilor intrinseci, cei doi transportatori din semiconductori intrinseci non - sunt întotdeauna într -o stare inegalabilă: transportatorul dominant se numește transportator majoritar (denumit ca fiind mulți). Deoarece semiconductorii de tip n - sunt dopați cu 5 - elemente de valent, momotronii lor sunt electroni liberi; Semiconductorii de tip P sunt dopați cu elemente trivalente, iar moleculele lor sunt găuri.

În interiorul semiconductorului intrinsec, concentrațiile celor doi purtători (electroni cu bandă conductivă și găuri de bandă de valență) în echilibru termic sunt aceleași, iar această concentrație se numește concentrația de purtător intrinsecă. Această concentrație nu este constantă, ci depinde de materialul specific al semiconductorului și de temperatura la care este localizat - cu cât temperatura este mai mare, cu atât concentrația este mai mare a purtătorului intrinsec.

În semiconductorii intrinseci non -, concentrația majorității transportatorilor (polipion) este aproximativ echivalentă cu concentrația de dopaj a impurităților, de obicei mai multe ordine de mărime mai mari decât concentrația intrinsecă a purtătorului. Concentrația unui număr mic de transportatori (puțini) este în general mai mică decât cea a transportatorilor intrinseci și există, de asemenea, mai multe ordine de diferență de mărime între cei doi. Prin urmare, în comparație cu concentrația de particule multi -, concentrația oligoptonică este extrem de scăzută, ceea ce este neglijabil în majoritatea scenariilor de calcul și de analiză.

Transportatorul produce o mișcare de derivă direcțională condusă de forțele de câmp electric. Într -un mediu de câmp electric slab, o relație proporțională directă este satisfăcută între viteza medie de derivă V a purtătorului și rezistența câmpului electric E, care este exprimată ca

(În cazul în care coeficientul proporțional μ se numește mobilitatea transportatorului, care este măsurată în centimetri pe a doua volt, adică cm/(v · s)).

Această mișcare de derivă a purtătorului poate forma un curent de derivă, iar amploarea curentului de derivă este corelată pozitiv cu mobilitatea purtătorului. Trebuie menționat că, deși direcția reală de derivă a găurilor și a electronilor liberi este opusă sub acțiunea forței de câmp electric, direcția de curent de derivă formată de fiecare dintre ei este exact aceeași, astfel încât curentul total de derivă în interiorul semiconductorului este egal cu superpoziția curentului de derivă a găurii și curentul de derivă a electronului liber.

Când rezistența câmpului electric aplicat este aceeași, cu atât densitatea curentului de derivă a semiconductorului este mai mare, cu atât conductivitatea sa este mai puternică. Analizele ulterioare arată că densitatea curentului de derivă nu este doar proporțională direct cu mobilitatea transportatorului, ci și la concentrația purtătorului. Although the carrier concentration of intrinsic semiconductors is not zero and can produce weak drift currents under the action of electric fields, the multi-sub concentrations of non-intrinsic semiconductors are usually many orders of magnitude higher than the intrinsic carrier concentrations, which makes the drift current density of non-intrinsic semiconductors much larger than that de semiconductori intrinseci. Prin urmare, densitatea curentului de derivă a semiconductorilor intrinseci este de obicei neglijabilă atunci când se calculează curentul de derivă.

P-Tastați și N - Tipați semiconductori

Q - Datorită densității de curent de derivă extrem de mici a semiconductorilor intrinseci, semiconductorii intrinseci pot fi de obicei considerați ca izolatori în comparație cu semiconductorii intrinseci non -. Din această cauză, materialele semiconductoare utilizate la fabricarea efectivă a circuitelor integrate sunt non - semiconductori intrinseci. Conductivitatea semiconductorilor intrinseci non - este strâns legată de mobilitatea μ de multiploni: cu cât este mai mare mobilitatea, cu atât conductivitatea semiconductorului este mai rapidă și cu atât dispozitivul este făcut mai rapid pe acțiunile semiconductorului.

Datele de mobilitate a purtătorului pentru germanium (GE) și siliciu (SI) sunt prezentate în tabelul 2 (unde mobilitatea electronilor libere este scrisă ca μn și mobilitatea găurilor este scrisă ca μP). Mobilitatea electronică liberă μN atât a GE cât și a Si este mult mai mare decât cea a mobilității găurilor μP, deci n - dispozitivele semiconductoare de tip funcționează semnificativ mai bine decât dispozitivele semiconductoare de tip p -} de tip semiconductor în indicatori cheie de performanță, cum ar fi câștigul, caracteristicile de frecvență și capacitatea de conducere.

Așa cum se arată în figura 2, când semiconductorul n - și semiconductorul de tip p - sunt în contact strâns, se va forma o joncțiune PN la interfața dintre cele două. În regiunea de joncțiune, electronii liberi din regiunea N difuzează spre regiunea P, în timp ce găurile din regiunea P difuzează spre regiunea N. După ce are loc această mișcare de difuzie, se formează un câmp electric intern la interfața din regiunea N la regiunea P. Pe măsură ce rezistența câmpului electric intern crește treptat, forța de difuzie finală și forța de câmp electric intern ating o stare de echilibru, iar mișcarea de difuzie se oprește. În acest moment, se va forma o regiune fără electroni și găuri libere la interfața de intersecție, care se numește regiunea de încărcare a spațiului și este adesea numită zonă de epuizare. Dacă electrozii sunt extrași la ambele capete ale joncțiunii PN, se poate forma o diodă - Electrodul din regiunea P este anodul, iar electrodul din regiunea N este catodul.

Aplicarea tensiunii pe ambele capete ale diodei poate rupe echilibrul inițial între forța de difuzie și forța de câmp electric. Dacă tensiunea aplicată îndeplinește potențialul catodului mai mare decât potențialul anodului, tensiunea aplicată va crește forța de câmp electric intern, ceea ce face ca purtătorul să fie încă incapabil să efectueze mișcare de difuzie -, deoarece nu există curent de difuzie, dioda este într -o stare de tăiere - în stare de oprire. Dimpotrivă, tensiunea aplicată va slăbi forța de câmp electric intern, purtătorul va începe să se difuzeze din nou, iar curentul de difuzie va fi generat în interiorul diodei, moment în care dioda va intra în starea de conducere. Această abilitate de a porni sau opri cu tensiunea aplicată face ca dioda să fie conductoare unidirecțională, care la rândul său joacă un rol cheie în circuit. În procesul CMOS, se formează mai multe tipuri de joncțiuni PN, care pot fi utilizate nu numai pentru fabricarea diodelor în circuite integrate, ci și pentru a obține o izolare electrică între dispozitivele din starea de prejudecată inversă.

Procesul de introducere a 5 - Elemente de valent sau 3-valente în semiconductori se numește dopaj, iar procesul de dopaj este utilizat în mod obișnuit prin implantarea ionului. Când concentrația de implantare ionică este scăzută, aceasta este ușor dopată (exprimată ca N⁻, N⁻ sau P⁻, P⁻); Când concentrația de implantare ionică este ridicată, este dopată de HE (exprimată ca N⁺, N⁺ sau P⁺, P⁺). Evident, conductivitatea semiconductorilor puternic dopați este mai bună decât cea a semiconductorilor ușor dopați.

Atunci când dopajele grele locale se realizează într -o suprafață mare de zona de dopaj ușor, zona dopată ușoară este, în general, numită substrat, iar zona de dopaj greu se numește zona de difuzie (difuzie) sau activă (activă). Tipul de semiconductor în zona de difuzie și substratul poate fi același (atât n -, sau tip p -) sau diferit (heteromorfism). În procesul CMOS, există două situații: doparea homotipului este utilizată în principal pentru a educa electrodul și a realiza conexiunea prin contactul ohmic, iar doparea specială de tip - este utilizată în principal pentru a construi o structură de izolare între dispozitivul MOS și substrat.

Dispozitivele semiconductoare trebuie să fie conduse din electrod prin metal. Atunci când un semiconductor intră în contact cu un metal, redonsolarea permite electronilor să se tunțe prin bariera de contact, rezultând contacte ohmice de rezistență scăzute -}} {}} rezistență ohmică care poate fi utilizată pentru a genera electrozi. Cu toate acestea, în cazul dopajului de lumină, rezistența de contact între semiconductor și metal este extrem de mare, iar efectul de conectare la electrod nu este bun, deci nu poate fi utilizat pentru a scoate electrodul. Prin urmare, pentru a extrage electrodul din substratul de dopaj scăzut -, substratul trebuie să fie dopat local re - cu izomorfism, iar apoi este introdus electrodul metalic.

Așa cum se arată în Fig . 3, structura profilului n - și metalul este conectat prin contact ohmic. Capcanele n - sunt ușor dopate n - tipuri de tip care sunt adesea folosite ca substraturi și trebuie să fie conectate la o sursă de alimentare VDD. Pentru a obține o conexiune eficientă, este necesară redompația izomorfă în bine n - pentru a forma o regiune de difuzie N⁺, contactând astfel metalul pentru a construi ohms. Trebuie remarcat faptul că silica (sio₂) din figura 3 este utilizată pentru a realiza izolarea izolației între metal și semiconductor și pentru a forma un contact ohmic între metal și regiunea de difuzie N⁺, găurile trebuie să fie deschise în stratul sio₂, care se numesc găuri de contact.

Deoarece injecția de ioni în formă specială - poate forma diode de joncțiune PN între regiunea de difuzie și substrat, multiple regiuni de difuzie pe același substrat pot fi izolate între ele de diodă, atât timp cât tensiunea de prejudecată este controlată în mod rezonabil, astfel încât diodul să fie întotdeauna în starea de prejudecată inversă. Așa cum se arată în Fig . 4, structura profilului de izolare a diodelor din cele două regiuni de difuzie p⁺ este prezentată în Fig . 4: Cele două regiuni de difuzie P⁺ din n - Formează două diode independente cu n - bine, iar N -, care poate fi conectat la potențialul VDD n {6}, care este conectat la potențialul VDD N Asigurați -vă că cele două diode sunt întotdeauna în starea de prejudecată inversă și apoi realizați izolarea diodei între cele două regiuni de difuzie P⁺.

În mod similar, dacă substratul de tip p - este conectat la cel mai mic potențial GND, se poate obține izolarea diodei între mai multe regiuni de difuzie N⁺. Fig . 5 arată structura profilului de izolare a diodei procesului n -, care arată structura de izolare a diodei între cele două zone de difuzie P⁺ și între cele două zone de difuzie N⁺. Substratul întregului wafer din figură este un substrat de tip p -, iar capcana N - este realizată pe deasupra substratului de tip P -. În combinație cu relația potențială din Fig . 5, se poate observa că dioda de joncțiune PN dintre substratul n - și substratul p - este, de asemenea, în starea de deviere inversă, care asigură izolarea între substratul n - și P - substrat de tip. Acest proces, care conține doar n capcane și nu setează capcane P, se numește N Well Process.

Așa cum se arată în Fig . 6 A, dacă se injectează două regiuni de difuzie P+ în puțul N -, sau două regiuni de difuzie N+ sunt injectate în substratul de tip P -, regiunea dintre cele două zone de difuzie este definită ca un canal, iar canalul și substratul sunt un întreg. Substratul este menționat de litera B, iar zonele de difuzie de pe ambele părți ale canalului sunt reprezentate de S și D, care sunt conectate la metal prin găuri de contact. 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 Statul prejudecată, deci toate s și d din figură nu sunt efectuate. Trebuie menționat că în figură există două seturi separate de s, d, g și b, folosind aceleași litere aici, doar pentru a facilita denumirea ulterioară a pinilor MOS Tube.

În figura 6b, canalul dintre cele două regiuni de difuzie N+ aparține unui substrat de tip P - care este conectat la GND. În acest moment, dacă se aplică o tensiune pozitivă V₁ pe G deasupra canalului, câmpul electric generat între G și canal va atrage unii electroni, care vor umple găurile din canal. Dacă V₁ este suficient de mare încât electronii rămân după umplerea găurii, canalul se va schimba de la tipul p - la n -, apoi va conecta cele două regiuni de difuzie N+, astfel încât S și D sunt efectuate. Când tensiunea V₁ scade la 0, canalul revine la tipul p -, izolând din nou S din D. Prin urmare, S și D sunt echivalente cu cele două capete ale unui comutator electronic, iar pornirea și deconectarea acestora sunt controlate de tensiunea lui G.

În același mod, canalul dintre cele două regiuni de difuzie p+ din capcana N din Fig . 6 B este bine n, iar bine n este conectată la VDD. În acest moment, o tensiune V₂ sub VDD este aplicată pe G deasupra canalului, iar câmpul electric dintre G și canalul respinge electronii în canal. Când V₂ este suficient de scăzut, nu numai electronii liberi sunt respinși din canal, ci și electroni în unele legături covalente, formând găuri în canale. În acest fel, canalul se schimbă de la tipul n - la forma p -, conectând cele două zone de difuzie P+ și permițând să conducă S și D. Când tensiunea lui V₂ se ridică din nou la VDD, canalul revine la tipul n -, izolând S din D din nou, astfel încât structura este, de asemenea, un comutator electronic controlat de G.

0040-35057 Weldment Rev.C, inserție a supapei cu fante, Cameră de proces

CMOS

Zonele de difuzie de pe ambele părți ale canalului se numesc sursă (S) și scurgere (D), iar placa de electrod de deasupra canalului se numește poartă (g), care împreună cu fundalul (b) al substratului constituie tubul MOS. Dispozitivul compus din două regiuni de difuzie N+ și porțile lor corespunzătoare se numește tuburi NMOS, iar dispozitivele compuse din două regiuni de difuzie P+, ​​iar porțile lor corespunzătoare se numesc tuburi PMOS, iar simbolurile celor două sunt prezentate în Fig . 6 c.

Materialul de poartă al tuburilor MOS timpurii este aluminiu, care aparține categoriei de metal. Silica dintre poartă și canal aparține oxidului. Canalul aparține semiconductorului. Combinând inițialele celor trei cuvinte englezești metal - oxid - Semiconductor dă MOS (adică metal - oxid - semiconductor), motiv pentru care tubul MOS este numit. Trebuie subliniat faptul că, în procesul propriu -zis, grosimea stratului de silice de sub poartă trebuie să fie mai mică decât cea a altor zone.

Tuburile MOS pot fi înțelese pur și simplu ca întrerupătoare electronice controlate de tensiunea porții: tuburile NMOS se pornesc atunci când tensiunea porții este mare, iar tuburile PMOS se pornesc atunci când tensiunea porții este scăzută. Așa cum se arată în figura 7, tubul PMOS și tubul NMOS sunt conectate în serie între VDD și GND, iar cele două porți sunt conectate împreună ca portul A de intrare, iar scurgerile celor două tuburi MOS sunt conectate împreună ca portul de ieșire Y. Când A este ridicat, tubul NMOS este pornit, tubul PMOS este tăiat, iar ieșirea este trasă. Când A este scăzut, tubul NMOS este tăiat, tubul PMOS este pornit, iar ieșirea y este trasă în sus. Drept urmare, A și Y formează o fază inversă, iar circuitul se numește invertor.

În invertorul prezentat în Fig . 7, deoarece tubul PMOS este conectat la poarta tubului NMOS, iar tensiunea de poartă necesară pentru ca cei doi să fie porniți este opusă, tubul NMOS și tubul PMOS nu va fi activat în același timp, iar nu există un flux de curent între sursa de alimentare și sol, care este echivalent cu consumul de putere statică. În plus față de invertor, tubul NMOS și tubul PMOS pot forma, de asemenea, diverse alte porți logice, care nu au, de asemenea, un consum de energie DC în starea de operare statică. Datorită caracteristicilor complementare extrem de perfecte ale tuburilor NMOS și ale tuburilor PMOS, circuitul compus dintre cele două este numit metal complementar - oxid - semiconductor (CMOS).

0020-42287 PLATĂ PROPR 8Inch EC WXZ

Deși nu există un flux direct între sursa de alimentare și sol (adică, niciun consum static de energie) atunci când poarta logică CMOS este în repaus, în timpul flipului de stare logică a porții, tubul NMOS și tubul PMOS va avea un fenomen de conducere simultană scurtă, care va genera un anumit consum dinamic de energie. În plus, procesul de încărcare și descărcare a condensatoarelor de încărcare de către porțile logice suportă și consumul de energie. Deoarece aceste consumuri de energie sunt legate de trecerea porții logice, cu cât este mai mare frecvența ceasului, cu atât este mai mare consumul de energie al circuitului CMOS; Cu toate acestea, frecvența de ceas a circuitelor integrate de scară mare -} este în general ridicată, astfel încât rezolvarea consumului de energie și a problemelor de disipare a căldurii este încă o problemă dificilă în proiectarea circuitului integrat CMOS.

Pe măsură ce procesul CMOS continuă să se dezvolte în conformitate cu legea lui Moore, grosimea stratului de silice dintre poartă și canal continuă să scadă, iar fenomenul de scurgere a porții devine din ce în ce mai grav. Această problemă nu a fost evidentă înainte de etapa procesului de submicron profund, dar după ce a intrat în zeci de noduri de proces al nanometrelor, puterea de scurgere a porții a devenit principala sursă de consum total de energie a circuitului. Înainte de etapa profundă a procesului submicron, este necesară doar închiderea ceasului pentru a opri circuitul; Cu toate acestea, după procesul profund submicron, situația se schimbă - pe lângă închiderea ceasului, tensiunea de alimentare trebuie redusă sau tensiunea substratului trebuie ridicată pentru a reduce la minimum consumul de energie al scurgerii porților. Odată cu extinderea continuă a scării circuitelor integrate, consumul de energie și disiparea căldurii au devenit blocaje de proiectare. Doar prin mai multe inovații tehnologice, putem asigura avansarea continuă a legii lui Moore și îmbunătățirea în continuare a integrării jetoanelor.