Proses semikonduktor dan CMOS

Semikonduktor dan CMOSPRocesses

Pasir alami kaya akan silika (sio₂), dari mana silikon monokristalin - tinggi-}}} dapat diekstraksi untuk memproduksi sirkuit terintegrasi. Silikon monokristalin memiliki persyaratan kemurnian yang sangat tinggi, yang perlu mencapai lebih dari 99,99999999% (yaitu, 9 9 S), dan atom silikon perlu diatur sesuai dengan struktur berlian untuk membentuk inti kristal. Ketika orientasi bidang kristal dari nukleus kristal adalah sama, silikon monokristalin dapat dibentuk; Jika orientasi bidang kristal berbeda, polisilikon akan terbentuk.

Baik silikon monokristalin dan polisilikon dapat digunakan dalam pembuatan sirkuit terintegrasi, di antaranya silikon monokristalin terutama digunakan untuk membangun substrat silikon, dan polisilikon dapat digunakan untuk membuat komponen seperti gerbang, resistor polisilikon atau kapasitor tabung MOS.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, proses produksi dari pasir ke chip adalah sebagai berikut: Pertama, pasir kuarsa digunakan sebagai bahan baku untuk menyiapkan silikon kristal tunggal - Kandungan silika pasir kuarsa lebih tinggi daripada pasir biasa, dan silikon tingkat metalurgi dapat diperoleh setelah perawatan pemisahan; kemudian memurnikan, menyempurnakan, dan menyimpan silikon tingkat metalurgi untuk menghasilkan polisilikon; Melalui proses menggambar, polisilikon dapat dikonversi menjadi ingot silikon monokristalin. Potong ingot silikon kristal tunggal menjadi lembaran tipis untuk mendapatkan wafer. Sejumlah besar sirkuit terintegrasi dapat dibuat pada setiap wafer, yang diiris, diuji, dan dikemas untuk membuat produk chip sirkuit terintegrasi (chip).

Semikonduktor intrinsik

Semikonduktor intrinsik mengacu pada kristal murni yang bebas dari atom pengotor dan bebas dari cacat struktural. Germanium (GE) dan silikon (SI) keduanya adalah elemen kuadrivalen dan biasanya digunakan bahan semikonduktor. In intrinsic semiconductors, although the four valence electrons on the outermost layer of atoms can form covalent bonds with the outermost electrons of surrounding atoms, under the excitation of heat or light energy, the electrons in some covalent bonds may break free from the covalent bonds, and then form conductive band electrons and valence band holes, which are collectively called carriers. Karena dua pembawa dalam semikonduktor intrinsik selalu muncul berpasangan dan berada dalam keadaan keseimbangan termal, di bawah aksi medan listrik yang diterapkan, pembawa ini dapat bergerak secara terarah untuk membentuk arus listrik, sehingga bahan memiliki konduktivitas tertentu, sehingga jenis semikonduktor ini disebut semikonduktor intrinsik.

Jika sejumlah atom pengotor spesifik ditambahkan ke semikonduktor intrinsik, itu akan diubah menjadi semikonduktor intrinsik non-. Di antara mereka, non - semikonduktor intrinsik yang dimasukkan dengan elemen pentavalen disebut n - tipe semikonduktor, dan elemen pentavalen seperti itu disebut pengotor donor; Non - semikonduktor intrinsik yang dimasukkan dengan elemen trivalen disebut p - tipe semikonduktor, dan elemen trivalen ini secara bersamaan disebut pengotor host. Berbeda dengan keadaan keseimbangan termal semikonduktor intrinsik, dua pembawa dalam non - semikonduktor intrinsik selalu dalam keadaan tidak seimbang: pembawa dominan disebut pembawa mayoritas (disebut sebagai banyak). Karena n - ketik semikonduktor didoping dengan 5 - elemen valent, momotron mereka adalah elektron bebas; Semikonduktor tipe-P didoping dengan elemen trivalen, dan molekulnya adalah lubang.

Di dalam semikonduktor intrinsik, konsentrasi dua pembawa (elektron pita konduktif dan lubang pita valensi) dalam keseimbangan termal adalah sama, dan konsentrasi ini disebut konsentrasi pembawa intrinsik. Konsentrasi ini tidak konstan, tetapi tergantung pada bahan spesifik semikonduktor dan suhu di mana ia berada - semakin tinggi suhu, semakin tinggi konsentrasi pembawa intrinsik.

Dalam non - semikonduktor intrinsik, konsentrasi sebagian besar pembawa (polipon) kira -kira setara dengan konsentrasi doping pengotor, biasanya beberapa urutan besarnya lebih tinggi dari konsentrasi pembawa intrinsik. Konsentrasi sejumlah kecil pembawa (sedikit) umumnya lebih rendah daripada pembawa intrinsik, dan ada juga beberapa urutan perbedaan besarnya antara keduanya. Oleh karena itu, dibandingkan dengan konsentrasi partikel multi -, konsentrasi oligoptonik sangat rendah, yang dapat diabaikan dalam sebagian besar skenario komputasi dan analisis.

Pembawa menghasilkan gerakan drift terarah yang digerakkan oleh kekuatan medan listrik. Dalam lingkungan medan listrik yang lemah, hubungan proporsional langsung dipenuhi antara kecepatan drift rata -rata V dari pembawa dan kekuatan medan listrik E, yang dinyatakan sebagai

(Di mana koefisien proporsional μ disebut mobilitas pembawa, yang diukur dalam sentimeter per volt detik, yaitu, cm/(v · s)).

Gerakan drift dari pembawa ini dapat membentuk arus drift, dan besarnya arus drift berkorelasi positif dengan mobilitas pembawa. Perlu dicatat bahwa meskipun arah drift yang sebenarnya dari lubang dan elektron bebas berlawanan di bawah aksi gaya medan listrik, arah arus drift yang dibentuk oleh masing -masing adalah persis sama, sehingga total arus drift di dalam semikonduktor sama dengan superposisi arus drift lubang dan arus drift elektron bebas.

Ketika kekuatan medan listrik yang diterapkan adalah sama, semakin besar kepadatan arus drift dari semikonduktor, semakin kuat konduktivitasnya. Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa kepadatan arus drift tidak hanya berbanding lurus dengan mobilitas pembawa, tetapi juga dengan konsentrasi pembawa. Meskipun konsentrasi pembawa semikonduktor intrinsik tidak nol dan dapat menghasilkan arus drift yang lemah di bawah aksi medan listrik, subti - sub -konsentrasi non {3} {intrinsik yang tidak ada banyak pesanan yang lebih tinggi dari konsentrasi non -karia, yang membuat karier intrinsik, yang membuat karier intrinsik, yang membuat karier intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi non -drinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang tidak ada saat ini, konsentrasi non -drinsik, non -drinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang membuat drinsrasi intrinsik, yang tidak ada saat ini. semikonduktor jauh lebih besar dari semikonduktor intrinsik. Oleh karena itu, kepadatan arus drift dari semikonduktor intrinsik biasanya diabaikan saat menghitung arus drift.

P-ketik dan n - ketik semikonduktor

Q - Karena kepadatan arus drift yang sangat kecil dari semikonduktor intrinsik, semikonduktor intrinsik biasanya dapat dianggap sebagai isolator dibandingkan dengan semikonduktor intrinsik non -. Karena itu, bahan semikonduktor yang digunakan dalam pembuatan aktual sirkuit terintegrasi adalah non - semikonduktor intrinsik. Konduktivitas non - semikonduktor intrinsik terkait erat dengan mobilitas μ multiplon: semakin besar mobilitas, semakin kuat konduktivitas semikonduktor, dan semakin cepat perangkat yang dibuat pada semikonduktor bekerja.

Data mobilitas pembawa untuk germanium (GE) dan silikon (SI) ditunjukkan pada Tabel 2 (di mana mobilitas elektron gratis ditulis sebagai μN dan mobilitas lubang ditulis sebagai μp). Mobilitas elektron bebas μN dari GE dan Si jauh lebih besar daripada mobilitas lubang μp, jadi perangkat semikonduktor tipe n - berkinerja lebih baik secara signifikan daripada p - jenis perangkat semikonduktor dalam indikator kinerja utama seperti karakteristik gain, karakteristik frekuensi, dan kemampuan mengemudi.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, ketika n - tipe semikonduktor dan p - type semikonduktor berada dalam kontak dekat, persimpangan PN akan terbentuk pada antarmuka antara keduanya. Di wilayah persimpangan, elektron bebas di wilayah N berdifusi ke wilayah P, sementara lubang di wilayah P berdifusi ke wilayah N. Setelah gerakan difusi ini terjadi, medan listrik internal terbentuk pada antarmuka dari wilayah N ke wilayah P. Ketika kekuatan medan listrik internal secara bertahap meningkat, gaya difusi akhir dan gaya medan listrik internal mencapai keadaan kesetimbangan, dan gerakan difusi berhenti. Pada saat ini, suatu wilayah tanpa elektron dan lubang bebas akan terbentuk di antarmuka persimpangan, yang disebut daerah pengisian ruang dan sering disebut zona penipisan. Jika elektroda ditarik keluar di kedua ujung persimpangan PN, dioda dapat dibentuk - elektroda dari wilayah P adalah anoda, dan elektroda dari wilayah N adalah katoda.

Menerapkan tegangan ke kedua ujung dioda dapat mematahkan keseimbangan asli antara gaya difusi dan gaya medan listrik. Jika tegangan yang diterapkan memenuhi potensi katoda lebih tinggi dari potensial anoda, tegangan yang diterapkan akan meningkatkan gaya medan listrik internal, menyebabkan pembawa tetap tidak dapat melakukan gerakan difusi - karena tidak ada arus difusi, dioda dalam pemotongan - off state. Sebaliknya, tegangan yang diterapkan akan melemahkan gaya medan listrik internal, pembawa akan mulai menyebar lagi, dan arus difusi akan dihasilkan di dalam dioda, di mana titik dioda akan memasuki keadaan konduksi. Kemampuan untuk menyalakan atau mematikan dengan tegangan yang diterapkan membuat dioda konduktif searah, yang pada gilirannya memainkan peran kunci dalam sirkuit. Dalam proses CMOS, beberapa jenis persimpangan PN terbentuk, yang dapat digunakan tidak hanya untuk memproduksi dioda di sirkuit terintegrasi, tetapi juga untuk mencapai isolasi listrik antara perangkat dalam keadaan bias terbalik.

Proses memperkenalkan 5 - elemen valent atau 3-valent ke dalam semikonduktor disebut doping, dan proses doping biasanya digunakan oleh implantasi ion. Ketika konsentrasi implantasi ion rendah, ia didoping dengan ringan (dinyatakan sebagai N⁻, N⁻ atau P⁻, P⁻); Ketika konsentrasi implantasi ion tinggi, ia didoping (dinyatakan sebagai N⁺, N⁺ atau P⁺, P⁺). Jelas, konduktivitas semikonduktor yang sangat didoping lebih baik daripada semikonduktor yang didoping ringan.

Ketika doping berat lokal dilakukan di area luas area doping cahaya, area doped cahaya umumnya disebut substrat, dan area doping berat disebut zona difusi (difusi) atau aktif (aktif). Jenis semikonduktor di zona difusi dan substrat dapat sama (keduanya n {- type atau p - type) atau berbeda (heteromorfisme). Dalam proses CMOS, ada dua situasi: doping homotype terutama digunakan untuk mendidik elektroda dan mewujudkan koneksi melalui kontak ohmik, dan doping tipe- khusus terutama digunakan untuk membangun struktur isolasi antara perangkat MOS dan substrat.

Perangkat semikonduktor perlu dipimpin keluar dari elektroda melalui logam. Ketika semikonduktor bersentuhan dengan logam, redoping memungkinkan elektron untuk terowongan melalui penghalang kontak, menghasilkan kontak ohmic resistansi {1 {1} {1} yang rendah yang dapat digunakan untuk memperoleh elektroda. Namun, dalam kasus doping cahaya, resistansi kontak antara semikonduktor dan logam sangat besar, dan efek koneksi elektroda tidak baik, sehingga tidak dapat digunakan untuk memimpin elektroda. Oleh karena itu, untuk mengekstrak elektroda dari substrat doping {{4- rendah, substrat harus secara lokal diputar ulang secara lokal - dengan isomorfisme, dan kemudian elektroda logam diperkenalkan.

Seperti yang ditunjukkan pada Gbr . 3, struktur profil n - baik dan logam dihubungkan oleh kontak ohmic. N - perangkap doping n - jenis semikonduktor yang sering digunakan sebagai substrat dan perlu dihubungkan ke vdd catu daya. Untuk mencapai koneksi yang efektif, redoping isomorfik diperlukan dalam n - dengan baik untuk membentuk wilayah difusi n⁺, sehingga menghubungi logam untuk membangun ohm. Perlu dicatat bahwa silika (SiO₂) pada Gambar 3 digunakan untuk mencapai isolasi isolasi antara logam dan semikonduktor, dan untuk membentuk kontak ohmik antara logam dan daerah difusi N⁺, lubang perlu dibuka di lapisan SiO₂, yang disebut lubang kontak.

Karena injeksi ion berbentuk - khusus dapat membentuk dioda persimpangan PN antara daerah difusi dan substrat, beberapa daerah difusi pada substrat yang sama dapat diisolasi satu sama lain oleh dioda selama tegangan bias secara wajar dikontrol sehingga dioda selalu berada di negara bias yang membalik. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr . 4, struktur profil isolasi dioda dari dua daerah difusi P⁺ ditunjukkan pada Gambar . 4: Dua daerah difusi p⁺ di nada yang ada di dalam nasi yang baik, dan baik -baik dengan n {{5 {{5 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{6 {{n {5 {{6 {{n E. Pastikan bahwa kedua dioda selalu dalam keadaan bias terbalik, dan kemudian sadari isolasi dioda antara dua daerah difusi P⁺.

Demikian pula, jika substrat tipe P - terhubung ke GND potensial terendah, isolasi dioda antara beberapa daerah difusi N⁺ dapat dicapai. Gbr . 5 menunjukkan struktur profil isolasi dioda dari proses n -, yang menunjukkan struktur isolasi dioda antara dua zona difusi P⁺ dan antara dua zona difusi N⁺. Substrat dari seluruh wafer dalam gambar adalah p - tipe substrat, dan perangkap n - dibuat di atas p - tipe substrat. Dikombinasikan dengan hubungan potensial dalam Gbr . 5, dapat dilihat bahwa dioda persimpangan PN antara n - sumur dan p - substrat juga dalam status defleksi terbalik, yang memastikan isolasi antara n {{12} sumur {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p {p Proses ini, yang hanya berisi n perangkap dan tidak mengatur per perangkap, disebut n sumur proses.

Seperti yang ditunjukkan pada Gbr . 6 A, jika dua daerah difusi P+ disuntikkan ke dalam n -, atau dua daerah difusi N+ disuntikkan ke dalam substrat tipe P -, wilayah antara dua zona difusi didefinisikan sebagai saluran, dan saluran dan substrat adalah substrat. Substrat disebut oleh huruf B, dan zona difusi di kedua sisi saluran diwakili oleh S dan D, yang terhubung ke logam dengan lubang kontak. Buat elektroda logam tepat di atas saluran, yang dilambangkan dengan huruf G. dikombinasikan dengan hubungan tegangan yang diterapkan pada Gambar . 6, dapat dilihat bahwa dioda persimpangan PN antara substrat n {{9} juga di dalam negara bagian yang ada di dalam negara bagian yang ada di masing -masing bias, dan kedua difusi di dalam keadaan revusi, dan kedua difusi, dan kedua difusi di dalam keadaan bias, dan kedua difusi, dan kedua difusi di dalam keadaan bias, dan kedua difusi, dan kedua difusi, dan kedua. keadaan, jadi semua s dan d dalam gambar tidak dilakukan. Perlu dicatat bahwa ada dua set terpisah S, D, G, dan B pada gambar, menggunakan huruf yang sama di sini, hanya untuk memfasilitasi penamaan selanjutnya dari pin tabung MOS.

Pada Gambar 6b, saluran antara dua daerah difusi N+ termasuk dalam substrat tipe P - yang terhubung ke GND. Pada saat ini, jika tegangan positif V₁ diterapkan pada G di atas saluran, medan listrik yang dihasilkan antara G dan saluran akan menarik beberapa elektron, yang akan mengisi lubang di saluran. Jika V₁ cukup tinggi sehingga elektron tetap setelah mengisi lubang, saluran akan berubah dari p - tipe ke n - tipe, dan kemudian sambungkan dua daerah difusi N+, sehingga S dan D dilakukan. Ketika tegangan v₁ turun ke 0, saluran kembali ke p - type, mengisolasi S dari D lagi. Oleh karena itu, S dan D setara dengan dua ujung sakelar elektronik, dan on/off dan pemutusannya dikendalikan oleh tegangan G.

Dengan cara yang sama, saluran antara dua daerah difusi P+ dalam perangkap n dalam Gambar . 6 B adalah s sumur, dan sumur n terhubung ke VDD. Pada titik ini, tegangan V₂ di bawah VDD diterapkan pada G di atas saluran, dan medan listrik antara G dan saluran mengusir elektron dalam saluran. Ketika V₂ cukup rendah, tidak hanya elektron bebas ditolak dari saluran, tetapi juga elektron dalam beberapa ikatan kovalen, membentuk lubang di dalam saluran. Dengan cara ini, saluran berubah dari n - tipe ke p - berbentuk, menghubungkan dua zona difusi P+ dan memungkinkan S dan D untuk melakukan. Ketika tegangan v₂ naik lagi ke VDD, saluran kembali ke n {- tipe, mengisolasi S dari D lagi, sehingga strukturnya juga merupakan sakelar elektronik yang dikendalikan oleh G.

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

CMOS

Zona difusi di kedua sisi saluran disebut sumber (s) dan tiriskan (d), dan pelat elektroda di atas saluran disebut gerbang (g), yang bersama -sama dengan backgate (b) substrat merupakan tabung MOS. Perangkat yang terdiri dari dua daerah difusi N+ dan gerbang yang sesuai disebut tabung NMOS, dan perangkat yang terdiri dari dua daerah difusi P+ dan gerbang yang sesuai disebut tabung PMOS, dan simbol keduanya ditunjukkan pada Gambar . 6 c.

Bahan gerbang tabung Mos awal adalah aluminium, yang termasuk dalam kategori logam. Silika antara gerbang dan saluran milik oksida. Saluran itu milik semikonduktor. Menggabungkan inisial dari tiga kata bahasa Inggris Metal - oksida - semikonduktor memberikan mos (yaitu, logam - oksida - semikonduktor), itulah sebabnya tabung MOS dinamai. Harus ditunjukkan bahwa dalam proses yang sebenarnya, ketebalan lapisan silika di bawah gerbang harus kurang dari area lain.

Tabung MOS dapat dengan mudah dipahami sebagai sakelar elektronik yang dikendalikan oleh tegangan gerbang: Tabung NMOS menyala ketika tegangan gerbang tinggi, dan tabung PMOS menyala ketika tegangan gerbang rendah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, tabung PMOS dan tabung NMOS terhubung secara seri antara VDD dan GND, dan kedua gerbang terhubung bersama -sama sebagai port input A, dan saluran pembuangan dua tabung MOS dihubungkan bersama -sama sebagai port keluaran Y. Ketika A tinggi, tabung NMOS dihidupkan, tabung PMOS dipotong, dan output y ditarik ke bawah. Ketika A rendah, tabung NMOS terputus, tabung PMOS dihidupkan, dan output y ditarik ke atas. Akibatnya, A dan Y membentuk fase terbalik, dan sirkuit disebut inverter.

Dalam inverter yang ditunjukkan pada Gambar . 7, karena tabung PMOS terhubung ke gerbang tabung NMOS, dan tegangan gerbang yang diperlukan untuk keduanya dihidupkan adalah berlawanan, tabung NMOS dan tabung PMOS tidak akan dihidupkan pada saat yang sama, dan tidak ada aliran saat ini. Selain inverter, tabung NMOS dan tabung PMOS juga dapat membentuk berbagai gerbang logika lainnya, yang juga tidak memiliki konsumsi daya DC dalam keadaan operasi statis. Karena karakteristik komplementer yang sangat sempurna dari tabung NMOS dan tabung PMOS, sirkuit yang terdiri dari keduanya dinamai logam komplementer - oksida - semikonduktor (CMOS).

0020-42287 PLATE PERF 8INCH EC WXZ

Meskipun tidak ada aliran langsung antara catu daya dan tanah (yaitu, tidak ada konsumsi daya statis) ketika gerbang logika CMOS diam, selama status gerbang logika flip, tabung NMOS dan tabung PMOS akan memiliki fenomena konduksi simultan pendek, yang akan menghasilkan konsumsi daya dinamis tertentu. Selain itu, proses pengisian dan pelepasan kapasitor beban oleh gerbang logika juga menimbulkan konsumsi daya. Karena konsumsi daya ini semuanya terkait dengan membalik gerbang logika, semakin tinggi frekuensi jam, semakin besar konsumsi daya sirkuit CMOS; Namun, frekuensi jam dari sirkuit terintegrasi skala besar - modern umumnya tinggi, sehingga menyelesaikan konsumsi daya dan masalah disipasi panas masih merupakan masalah yang sulit dalam desain sirkuit terintegrasi CMOS.

Ketika proses CMOS terus berkembang menurut hukum Moore, ketebalan lapisan silika antara gerbang dan saluran terus berkurang, dan fenomena kebocoran gerbang menjadi lebih dan lebih serius. Masalah ini tidak jelas sebelum tahap proses submikron yang dalam, tetapi setelah memasuki puluhan node proses nanometer, daya bocor gerbang telah menjadi sumber utama konsumsi daya total sirkuit. Sebelum tahap proses submikron yang dalam, hanya gating jam yang diperlukan untuk mematikan sirkuit; Namun, setelah proses submikron yang dalam, situasi berubah - selain mematikan waktu, tegangan pasokan perlu dikurangi atau tegangan substrat harus dinaikkan untuk meminimalkan konsumsi daya bocor gerbang. Dengan ekspansi terus menerus dari skala sirkuit terintegrasi, konsumsi daya dan disipasi panas telah menjadi hambatan desain. Hanya melalui lebih banyak inovasi teknologi kita dapat memastikan kemajuan hukum Moore yang berkelanjutan dan lebih meningkatkan integrasi chip.