Tillverkningsprocessen för CMOS Transistor

Det fanns en era, där datorer var så enorma i storlek att det enkelt behövdes ett rumsrum för att installera dem. Men idag är de så utvecklade att vi till och med kan bära dem som bärbara datorer lätt. Innovationen som möjliggjorde detta var konceptet Integrated Circuits. I Integrerade kretsar , ett stort antal aktiva och passiva element tillsammans med deras sammankopplingar utvecklas över en liten kiselskiva typiskt med 50 x 50 mil i tvärsnitt. De grundläggande processerna som följs för produktion av sådana kretsar inkluderar epitaxiell tillväxt, maskerad orenhetsdiffusion, oxidtillväxt och oxidetsning med användning av fotolitografi för att göra mönster.

Komponenterna över skivan inkluderar motstånd, transistorer, dioder, kondensatorer osv ... Det mest komplicerade elementet att tillverka över IC är transistorer. Transistorer är av olika slag såsom CMOS, BJT, FET. Vi väljer vilken typ av transistorteknik som ska implementeras över en IC baserat på krav. I den här artikeln ska vi bekanta oss med begreppet CMOS-tillverkning (eller) tillverkning av transistorer som CMOS.

CMOS-tillverkning

För mindre strömavledningsbehov CMOS-teknik används för att implementera transistorer. Om vi ​​behöver en snabbare krets implementeras transistorer över IC använder BJT . Tillverkning av CMOS-transistorer eftersom IC kan göras i tre olika metoder.

N-brunn / P-brunnstekniken, där diffusion av n-typ sker över ett substrat av p-typ eller diffusion av p-typ sker över substrat av n-typ.

De Tvillingbrunnsteknik , var NMOS och PMOS-transistor utvecklas över skivan genom samtidig diffusion över en epitaxiell tillväxtbas snarare än ett substrat.

Kisel-på-isoleringsprocessen, där snarare än att använda kisel som substrat används ett isolermaterial för att förbättra hastigheten och låsningskänsligheten.

N- well / P- well Technology

CMOS kan erhållas genom att integrera båda NMOS- och PMOS-transistorer över samma kiselskiva. I N – brunnstekniken diffunderas en n-typbrunn på ett p-typsubstrat medan det i P-well är tvärtom.

Steg för CMOS-tillverkning

De CMOS-tillverkningsprocess flöde utförs med hjälp av tjugo grundläggande tillverkningssteg medan de tillverkas med N-well / P-well-teknik.

Tillverkning av CMOS med N-brunn

Steg 1: Först väljer vi ett substrat som bas för tillverkning. För N-well väljs ett kiselsubstrat av P-typ.

Substrat

Steg 2 - Oxidation: Den selektiva diffusionen av n-typföroreningar åstadkoms med användning av SiO2 som en barriär som skyddar delar av skivan mot kontaminering av substratet. SiO_tvåläggs ut genom oxidationsprocessen som exponerar substratet för syre och väte av hög kvalitet i en oxidationskammare vid cirka 1000⁰c

Oxidation

Steg 3 - Odling av fotoresist: Vid detta steg för att tillåta selektiv etsning utsätts SiO2-skiktet för fotolitografiprocessen. I denna process beläggs skivan med en enhetlig film av en ljuskänslig emulsion.

Odling av fotoresist

Steg 4 - Maskering: Detta steg är fortsättningen av fotolitografiprocessen. I detta steg görs ett önskat mönster av öppenhet med hjälp av en stencil. Denna stencil används som en mask över fotoresist. Substratet exponeras nu för UV-strålar den fotoresist som finns under de exponerade maskeregionerna blir polymeriserad.

Masking of Photoresist

Steg 5 - Avlägsnande av oexponerad fotoresist: Masken avlägsnas och den oexponerade regionen fotoresist upplöses genom att skivan utvecklas med användning av en kemikalie såsom trikloreten.

Borttagning av fotoresist

Steg 6 - Etsning: Skivan är nedsänkt i en etsningslösning av fluorvätesyra, som tar bort oxiden från de områden genom vilka dopningsmedel ska diffunderas.

Etsning av SiO2

Steg 7 - Avlägsnande av hela fotoresistskikt: Under etsningsprocess , påverkas inte de delar av SiO2 som skyddas av fotoresistskiktet. Fotoresistmasken avlägsnas nu med ett kemiskt lösningsmedel (het H2SO4).

Borttagning av fotoresistskikt

Steg 8 - Bildande av N-brunn: Föroreningar av n-typ diffunderas in i p-typsubstratet genom det exponerade området och bildar sålunda en N-brunn.

Bildande av N-brunn

Steg 9 - Avlägsnande av SiO2: Skiktet av SiO2 avlägsnas nu med hjälp av fluorvätesyra.

Avlägsnande av SiO2

Steg 10 - Deponering av polysilikon: Feljusteringen av porten till a CMOS-transistor skulle leda till den oönskade kapacitansen som kan skada kretsen. Så för att förhindra denna 'Självjusterade grindprocess' är att föredra där grindområden bildas före bildandet av källa och dränering med jonimplantation.

Deponering av polysilikon

Polysilikon används för att bilda grinden eftersom det tål hög temperatur över 8000⁰c när en skiva utsätts för glödgningsmetoder för bildning av källa och avlopp. Polysilikon deponeras med hjälp av Kemisk deponeringsprocess över ett tunt lager av gateoxid. Denna tunna grindoxid under Polysilicon-skiktet förhindrar ytterligare dopning under grindregionen.

Steg 11 - Bildande av portregion: Förutom de två regionerna som krävs för bildandet av grinden för NMOS- och PMOS-transistorer den återstående delen av Polysilicon avlägsnas.

Bildandet av portregionen

Steg 12 - Oxidationsprocess: Ett oxidationsskikt avsätts över skivan som fungerar som ett skydd för vidare diffusions- och metalliseringsprocesser .

Oxidationsprocess

Steg 13 - Maskering och diffusion: För att göra regioner för diffusion av n-föroreningar med hjälp av maskeringsprocess görs små luckor.

Maskering

Med hjälp av diffusionsprocessen utvecklas tre n + -regioner för bildning av terminaler av NMOS.

N-diffusion

Steg 14 - Avlägsnande av oxid: Oxidskiktet avlägsnas.

Avlägsnande av oxid

Steg 15 - P-typ Diffusion: På samma sätt som diffusion av n-typ för att bilda terminalerna för PMOS-diffusion utförs diffusion av p-typ.

P-typ diffusion

Steg 16 - Läggning av tjock fältoxid: Innan metallterminalerna formas läggs en tjock fältoxid ut för att bilda ett skyddande skikt för de områden av skivan där inga terminaler krävs.

Tjockt fältoxidskikt

Steg 17 - Metallisering: Detta steg används för att bilda metallanslutningar som kan tillhandahålla sammankopplingar. Aluminium sprids på hela skivan.

Metallisering

Steg 18 - Avlägsnande av överflödig metall: Överskottsmetallen avlägsnas från skivan.

Steg 19 - Bildande av terminaler: I luckorna som bildas efter avlägsnande av överskott av metallanslutningar bildas för sammankopplingarna.

Bildande av terminaler

Steg 20 - Tilldela terminalnamn: Namnen tilldelas terminalerna på NMOS- och PMOS-transistorer .

Tilldelar terminalnamn

Tillverkning av CMOS med P well Technology

P-brunnprocessen liknar N-brunnprocessen förutom att här används n-typsubstrat och p-typdiffusioner utförs. För enkelhetens skull föredras vanligtvis N-brunnprocessen.

Twin Tube-tillverkning av CMOS

Med hjälp av tvillingrörsprocessen kan man kontrollera förstärkningen av enheter av P- och N-typ. Olika steg inblandade i tillverkning av CMOS med Twin-tube-metoden är följande

• • Ett lätt dopat substrat av n eller p-typ tas och det epitaxiella skiktet används. Epitaxialskikt skyddar spärrproblemet i chipet.

• • Kiselskikten med hög renhet med uppmätt tjocklek och exakt dopningsmedelskoncentration odlas.

• • Bildande av rör för P- och N-brunn.

• • Tunn oxidkonstruktion för skydd mot kontaminering under diffusionsprocesser.

• • Källa och dränering bildas med jonimplantationsmetoder.

• • Skärningar görs för att göra delar för metallkontakter.
  • Metallisering görs för att dra metallkontakter

CMOS IC-layout

Den övre vyn av till CMOS tillverkning och layout är given. Här kan olika metallkontakter och N-brunnsspridningar ses tydligt.

CMOS IC-layout

Således handlar det här om CMOS-tillverkningstekniker . Låt oss överväga en 1-i-kvadrat wafer uppdelad i 400 chips med ytan 50 mil med 50 mil. Det tar ett område på 50 mil2 att tillverka en transistor. Därför innehåller varje IC två transistorer, så det finns 2 x 400 = 800 transistorer byggda på varje skiva. Om 10 skivor behandlas varje sats kan 8000 transistorer tillverkas samtidigt. Vilka olika komponenter har du observerat på en IC?