⚠ 11.2023: Сайт знаходиться в стані перебудови. Можливо тимчасове порушення функціонування.

В надрах мікросхем

Автор статті: Сергій КРУШНЕВИЧ

Опубліковано: В недрах микросхем. Мой компьютер №5 (228) 2003


Дуже довгий час основна кількість мікросхем виготовлялася за біполярною технологією, але потім її почала витісняти уніполярна технологія, а з за обрію виглядає виглядає технологія кремній на ізоляторі.

Сьогодні ми продовжимо нашу розмову про сучасні технології отримання мікросхем.

Уніполярная MOS технологія

Уніполярна MOS (metal-oxide-semiconductor / метал-окис-напівпровідник) технологія відноситься до класу "польових", оскільки принцип роботи основного конструктивного елемента (транзистора) заснований на ефекті дії електричного поля на напівпровідник. Так як у транзисторах виготовлених за цією технологією струм тече по області одного типу провідності, ця технологія зветься "уніполярна" (від слова "уно" – один).

Польовий транзистор р-та n-каканльний
рис.1

На рис 1 представлений p-канальний MOS транзистор. Коротко розглянемо принцип роботи. До істоку і стоку прикладається напруга, але, оскільки, на шляху струму знаходяться два зустрінуто включені p+ та n- -переходи, через які, при будь-якій полярності прикладеної напруги, струм не потече (в обох напрямках зворотньо-зміщенний p-n-перехід). Якщо на затвор подати негативну напругу (по відношенню до стоку, то електрони (негативно заряджені частинки) будуть відштовхуватися від затвора і йти в глиб напівпровідника, а дірки (позитивно заражені частинки) навпаки притягуватимуться до затвора (рис 2). В результаті під затвором виникає інверсна (зі зворотним типом провідності) область (канал) з дірочною (p-типу) провідністю, внаслідок чого зникає p-n-перехід і починає протікати струм.

Утворення провідного каналу у польовому транзисторі
рис.2

Крім p-канальних транзисторів широко використовуються також n-канальні (рис 1), які відрізняються лише тим, що для виникнення каналу на затвор необхідно замість негативної подати позитивну напругу.

CMOS технологія

p- та n-канальний транзистор. Ця технологія називається компліментарною MOS - CMOS (complementary-metal-oxide-semiconductor).

Хочу зауважити, що більшість сучасних мікросхем виготовляються саме за цією технологією, завдяки високій економічністі – адже управління транзистором відбувається за рахунок потенціалу на затворі, на відміну від біполярної технології, де управління відбувається за рахунок струму через базу, тому цифрові CMOS мікросхеми споживають струм лише в момент зміни стану (перемикання з "0" на "1") . У статичному стані (коли змін станів не відбувається) протікають лише незначні (частки мкА) струми витоку.

Перевага MOS технологічності очевидна – для того, щоб отримати закінчений транзистор, необхідно як мінімум чотири рази провести процес літографії (у біполярної технології цей мінімум знаходиться на рівні шести літографій), крім того, MOS транзистори абсолютно не вимагають ізолювання один від одного, все це дозволяє на кілька порядків підвищити ступінь інтеграції, порівняно з біполярною технологією.

Але і ця технологія має свої недоліки - значна частина потужності у MOS / CMOS мікросхем витратиться на перезарядку паразитних ємностей. Вони виникають скрізь, де поруч розташовані два провідники або області, причому, чим більша площа провідників (областей) і чим менша відстань між ними – тим більше ця ємність. Зі зростанням частоти f зростає і струм перезарядки паразитних ємностей C.

Xc=ωC; ω=2𝜋f

Ще одним "гальмом" є паразитна індуктивність - чим тонший і довший провідник, тим вища його власна індуктивність L. Зі збільшенням частоти f опір індуктивності XL зростає.

XL=1/ωL

А якщо врахувати, що в сучасних КМОП мікросхемах на 1мм2 розташовані тисячі елементів, то вплив паразитних ємностей та індуктивностей дуже позначається на граничній робочій частоті, насамперед через затримку поширення сигналу від входу до виходу.

Щоб знизити вплив паразитних ємностей та індуктивностей намагаються по можливості знизити робочі напруги та струми, а також зменшити розміри самих елементів та шляхів між ними.

Кремній на ізоляторі - SOI

Наступним кроком у розвитку мікроелектроніки стала поява технології КНІ кремній на ізоляторі (SOIsilicon-on-insulator). Суть цієї технології полягає в отриманні монокристалічного кремнію на поверхні діелектричної підкладки, на відміну від розглянутих вище технологій, де всі елементи одержують всередині напівпровідника. Основною проблемою в розвитку цієї технології стала проблема отримання на поверхні полікристалічного матеріалу (практично всі діелектричні матеріали мають полікристалічну структуру) шару монокристалічного напівпровідника.

Вирішенням цієї проблеми стало застосування в якості підкладки сапфіру. Цей матеріал є оксидом алюмінію (Al2O3), з монокристалічною структурою. Але в цій технології є і свої недоліки – це дуже висока концентрація дефектів у будові кристалічних ґрат, що унеможливило використання біполярної технології. За технологією кремній на сапфірі (SOI) зараз раціонально виготовляти тільки MOS та CMOS мікросхеми.

Так як з технології кремній на сапфірі вчені не змогли "вичавити" більше, вони вирішили йти іншим шляхом. На діелектричну полікристалічну підкладку (оксид кремнію, на поверхні кристалу кремнію) необхідно нанести шар кремнію (він буде полікристалічним), і зробити рекристалізацію нанесеного шару. Якщо використовувати монокристалічну затравку, то нанесений шар стане монокристалічним. Хоч і в цій технології має місце велика кількість дефектів кристалічної решітки, але їх все ж таки менше, ніж у технології кремній на сапфірі.

Технологія кремнію на ізолторі
рис 3.


Зміст

  • В надрах мікросхем. Як вирощують монокристалічний кремній та нарізають підложки. Частина 1.
  • В надрах мікросхем. Фотолітографія. Ізоляція. Дифузія. Окислення. Біполярна технологія. Частина 2.
  • В надрах мікросхем. Метал-оксид-напівпровідник (MOS, CMOS) та кремній на ізоляторі (COI) технології. Частина 3.
  • В надрах мікросхем. Об'єднання окремих елементів в закінчену схему - металізація. Тестування та монтаж в корпусі. Частина 4.
  • В надрах мікросхем. Підвищення ступеня інтеграції. Розтягнутий кремній Частина 5.
  • В надрах мікросхем. Підвищення ступеня інтеграції. Енергонезалежне зберігання інформації у навпівпровіднику - FLASH-пам'ять Частина 6.
  • Опубліковано:

    Оновленно: 23.11.2023


    (SKNewVersion)(29032024)
    Serhii K Home Page © 2003-2024