kỹ thuật vi điện tử

1 KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN  MÔN: N T - VIN THÔNG THS. V CHIN THNG  THUT VI N T P BÀI GING (Lu hành ni b) THÁI NGUYÊN 9/2010 2 C LC C LC 1 Chng 1: C S VT LÝ 4 1.1. Cu trúc tinh th 4 1.2. Cu trúc vùng nng lng 6 1.3. Bán dn tinh khit 7 1.4. Bán dn loi P 8 1.5. Bán dn loi N 9 1.6.  linh ng,  dn 11 Chng 2: CU TRÚC MCH VI N T 13 2.1. Chuyn tip PN 13 2.2. Công ngh lng cc 15 2.2.1. Cách n bng chuyn tip PN 15 2.2.2. Cách n bng Oxide 16 2.2.3. Transistor lng cc 17 2.2.4. Diode, n tr và tn 21 2.3. Côn g n gh  CMO S 24 2.3.1. Mu 24 2.3.2. Quá trình ch to 26 2.3.3 . C h to gin g 27 2.3.4 . n cc cng 28 Chng 3: CÔNG NGH CH TO MCH VI N T 30 3.1. Ch to phin bán dn 30 3.1.1. Quy trình ch to phin bán dn silic 30 3.1.2. Ch to Silic a tinh th 31 3.1.3. Ch to Silic n tinh th 32 3.1.4. Ch to phin bán dn 37 3.1.5. Phòng sch 37 3.2. Oxy hóa 49 3.2.1.Gii thiu công ngh Oxy hoá 49 3.2.2.Oxy hóa nhit 49 3.3. Quang khc 53 3.3.1. Khái nim 53 3.3.3. Các khái nim c bn 54 3.3.4. Các giai n ca quá trình quang khc 56 3.4. n mòn 60 3.4.1 . n m òn t 61 3.4.2 . n m òn khô 66 3.5. Khuch tán 68 3.6. Cy ion 69 3.6.1. Mu 69 3.6.2. Thit b cy ion 71 3.6.3. Mt n dùng cho cy ion 72 3.6.4.  nhit 72 3.7. Epitaxy 72 3 3.7.1. Mu 72 3.7.2. Làm sch phin và ty lp Oxit t nhiên 73 3.7.2. Nhit ng hc quá trình Epitaxy pha hi 73 3.7.3. Pha tp 75 3.7.4. Khuyt tt trong lp Epitaxy 75 3.7.5. Epitaxy GaAs 76 3.7.6. Epitaxy chùm phân t 77 3.8. Các phng pháp to màng mng: Bay hi, phún x 81 3.8.1. Mu 81 3.8.2. Bay hi trong chân không 82 3.8.3. Phún x 91 3.9. Kt ta hóa hc pha hi CVD 96 3.9.1. Mu 96 3.9.2. H CVD n gin  ch to màng Si 96 3.9.3. Ch to màng n môi bng CVD áp sut khí quyn 97 3.9.4. Ch to màng n môi và bán dn bng CVD áp sut thp 98 3.9.6. Ch to màng kim loi bng CVD 99 Chng 4: MT S H VI MCH C BN 101 4.1. Phân loi vi mch 101 4.1.1 . Th eo ch c n n g 101 4.1.2. Theo công ngh ch to 101 4.1.3. Theo linh kin c bn 101 4.1.4. Theo mc  t hp 101 4.2. Các h vi mch s 101 4.2.1. Tng quan 101 4.2.2. Các c trng ca các vi mch s 102 4.2.3. H RTL (Resistor-Transistor Logic) 103 4.2.4. H DTL (Diode-Transistor Logic) 104 4.2.5. H TTL (Transistor-Transistor Logic) 104 4.2.6. H CMOS 106 4.2.7 . Mt s c n g 106 TÀ I LIU THA M KHO 108 4 Chng 1: C S VT LÝ 1.1. Cu trúc tinh th Trong tinh th, các nguyên t sp xp theo mt trt t tun hoàn. Cu trúc tinh th nh nht c lp li mang y  thông tin ca mt tinh th gi là ô mng c s. a. Ô lp phng n gin Bao gm 8 nguyên t 8 nh. Hình 1.1. Ô lp phng n gin. b. Ô lp phng tâm khi Bao gm 8 nguyên t 8 nh và 1 nguyên t tâm hình lp phng. Hình 1.2. Ô lp phng tâm khi. c. Ô lp phng tâm mt Bao gm 8 nguyên t 8 nh và 6 nguyên t tâm 6 mt. 5 Hình 1.3. Ô lp phng tâm mt d. Ô lp phng cu trúc kim cng Hình 1.4. Ô lp phng cu trúc kim cng Hình 1.5. Ô mng c s Si t phng tinh th: S dng h s Miller  xác nh nh hình 1.6. 6 Hình 1.6. H s Miller  xác nh mt phng tinh th 1.2. Cu trúc vùng nng lng Vùng nng lng  mi vt rn là khác nhau,  rng và v trí ca tng vùng nng lng ph thuc vào loi vt rn khác nhau. Tùy theo tình trng các mc nng lng có bn t chim ch hay không, ngi ta chia ra làm 3 vùng là: Vùng dn, vùng cm, và vùng hóa tr. Hình 1.7. Gin  vùng nng lng ca Kim loi, cht bán dn và cht n môi Vùng dn: Có th gi là vùng dn n, tc là nhng n t nào nm trong vùng này gi là nhng n t t do. ó các mc nng lng cha c chim ch hoc b chim ch 1 phn. Vùng hóa tr: Cha nhng n t hóa tr ca nguyên t, có mc nng lng thp nht. Vùng cm: Là vùng nm gia vùng dn và vùng hóa tr. Trong vùng này, không tn ti mc nng lng mà n t có th chim ch. Trong tng vùng nng lng, các mc nng lng có th b chim y hoàn toàn, mt phn hoc b trng hoàn toàn. 7 t n t mun tham gia vào thành phn dòng n phi tr thành n t t do, ngha là nó phi có  nng lng nhy t vùng hóa tr, vt qua vùng cm lên vùng dn. Bi vy,  rng ca vùng cm là tiêu chun  phân bit vt rn là vt liu dn n, bán dn, hay cách n. Nh vy,  ng ca vùng cm càng ln thì  dn càng kém, chiu rng ca vùng cm s xác nh nng lng cn thit n t bt khi các liên kt hóa hc  tham gia vào quá trình ti n. n gin, kí hiu áy vùng dn là E c , nh ca vùng hóa tr kí hiu là E v . Khong cách gia E c và E v là vùng cm ∆E g. 1.3. Bán dn tinh khit Khi các n t hóa tr nhn c các nng lng t bên ngoài (nhit , ánh sáng)  ln, có th thoát c lc liên kt tr thành n t t do (nhy lên vùng dn) tham gia vào thành phn dòng n. Khi y trong vùng hoá tr do thiu ht n t nên xut hin mc nng lng b trng. u ó a ti s dn n trong vùng hoá tr. Nhng m thiu ht n t trong vùng hoá tr có th xem nh là ti y tn ti n tích dng còn gi là l trng. Khác vi ion, các l trng có th di chuyn trong vt rn là do n t bên cnh lp y l trng ó và nó li  li mt l trng và l trng này di chuyn mt cách t do theo hng ngc vi hng ca n t. u ó có ngha là vic t mt liên kt ng hoá tr làm cho mt n t chuyn di t vùng hoá tr lên vùng dn. Quá trình trên c gi là quá trình phát x cp n t - l trng. Nh y trong bán dn sch, các ht dn c to ra ch yu bi quá trình hình thành (phát sinh) cp n t l trng. Trong ó, n t trong vùng dn, l trng trong vùng hóa tr. Ngc li vi quá trình phát sinh cp n t - l trng là quá trình tái p n t và l trng, tc là quá trình xây dng li mt liên kt nhn t  do ri t vùng dn xung vùng hóa tr (s phát x nng lng). 8 Hình 1.8. Quá trình phát sinh và tái hp n t, l trng.  trng thái cân bng nhit ng, sn t phát sinh úng bng sn  tái hp. Bán dn nh vy c gi là bán dn ròng (bán dn tinh khit). 1.4. Bán dn loi P Pha tp Silic vi các nguyên t hóa tr 3 nh Al, thì mi nguyên t tp cht hóa tr 3 thay th v trí nguyên t bán dn tinh khit gc và to ra liên t ng hóa tr vi 3 nguyên t láng ging gn nhau nht, còn liên kt th 4 không hoàn ho và vì vy làm xut hin 1 l trng. Do vy, ch cn 1 nng ng rt nh cng cho phép mt n t ca liên kt ng hóa tr gn ó n chim l trng và làm t các liên kt khác. Các nguyên t tp cht hóa tr 3 này có xu hng bt n t ca vùng hóa tr làm tng l trng trong bán dn nên ngi ta gi là tp cht aceptor, còn bán dn có tp cht loi này gi là bán dn loi P. 9 Hình 1.9. Tp cht aceptor trong n tinh th Si Hình 1.10. Gin  mc nng lng aceptor c nng lng aceptor E a nm gn nh vùng hóa tr, bi vy ch cn t nng lng nh (nng lng ion hóa) cng có th làm cho n t nhy t vùng hóa tr lên các mc aceptor làm cho nguyên t tp cht ion hóa tr thành ion âm, ng thi làm xut hin các l trng trong vùng hóa tr. 1.5. Bán dn loi N Nguyên t Si: Mi nguyên t có bn n t hoá tr gp chung vi bn nguyên t bên cnh  to thành mi liên kt ng hoá tr. Pha tp Si vi các nguyên t thuc nhóm V, chng hn nh pht pho thì các nguyên t tp cht s liên kt ng hóa tr vi 4 nguyên t Si láng ging gn nht. Nh vy còn tha ra 1 n t hóa tr s có liên kt yu vi 10 nguyên t láng ging xung quanh và cng liên kt yu vi nguyên t ca chính nó. Nên ch cn 1 nng lng nh cng gii phóng nó khi nguyên t a nó  tr thành n t t do. p cht hóa tr 5 này c gi là tp cht ôno, có ngha là tp cht n t t do. Còn cht bán dn có tp cht dono gi là bán dn loi N. Các n tc gi là ht a s, các l trng c gi là ht thiu s. Hình 1.11. Tp cht dono trong n tinh th Si Tính dn n trong bán dn loi N do n t quyt nh. Vic pha tp cht ôno s làm xut hin trong vùng cm ca bán dn này nhng mc nng ng cc b nm sát di áy vùng dn gi là mc nng lng dono. [...]... ch m t l ai công ngh dùng tích h p Công ngh CMOS c dùng ch t o vi m ch ch t o vi x lý, vi RAM t nh và các m ch lôgíc s khác Công ngh CMOS c ng u khi n, c dùng r t nhi u trong các m ch t ng t nh c m bi n hình nh, chuy n i ki u d li u, và các vi m ch thu phát có m t tích h p cao trong l nh v c thông tin Trong thi t k các hàm lôgíc trong các vi m ch CMOS s d ng c hai lo i transistor PMOS và NMOS Hai CMOS... CH VI NT 3.1 Ch t o phi n bán d n 3.1.1 Quy trình ch t o phi n bán d n silic Hình 3.1 Quy trình ch t o phi n bán d n t li u ch t o phi n bán d n: i là GaAs B i vì: t li u ch y u là Si (chi m > 95%), còn - Silic có nhi u trong thiên nhiên nên giá thành s n ph m th p h n Ge - V t li u c nghiên c u k , có nhi u ng d ng - N ng l ng vùng c m (Eg = 1,12eV) l n h n c a Ge (0.67eV) nên IC có kh n ng làm vi. .. c hi n nhi u ch c n ng logic khác nhau t trong nh ng yêu c u quan tr ng n tr khu ch tán, i v i t t c các m ch trên ây là cách n gi a các linh ki n khác nhau Chúng ta s xét m t s k thu t cách trong các vi m ch 2.2.1 Cách n n b ng chuy n ti p PN thu t cách n ph bi n nh t trong các IC th h chuy n ti p PN phân c c ng c V t li u ban 15 u là u tiên là s d ng lo i P, trên ó có c y t l p epitaxy lo i N Các... thì s cách n t t cho dòng m t chi u i v i tín hi u xoay chi u thì tính ch t cách tín hi u t ng, nguyên nhân là chuy n ti p có n dung gi m khi t n s t ng 2.2.2 Cách n dung và tr kháng c a n b ng Oxide Vi c thay th vùng cách di n tích vì nó không c n n lo i p b ng oxide sillic cho phép ti t ki m n chuy n ti p pn và do ó lo i lo i tr c vùng nghèo c a chuy n ti p Oxide là v t li u cách ki n v i cách n... “m chim” ch không th nh n c Oxide cách n vuông góc lý t ng nh hình v 2.2.3 Transistor l ng c c a C u trúc m t c t Transistor NPN Thi t k các IC l diode, n tr và t ch có giá tr gi i h n ng c c bao g m vi c h p m ng n các transistor, n Không có cu n c m, bi n th và th c t thì t n n vài ch c pF Linh ki n quan tr ng nh t trong IC ng c c là các transistor và c u trúc m t c t c a m t transistor NPN công... h n c u n dung nh Giá tr n vài ch c K Có th có thu c vào nhi t i ta ch có ng nh h n nhi u so v i a vào m t s l n nên trong thi t ng l n transistor Do t m quan tr ng c a transistor, quá trình ch t o vi m ch khác ph i có kh n ng n tr và t c t i u hóa cho transistor, các ph n c ch t o theo cùng quy trình V i m t s ng ng c bi t, có th c n thêm m t s khâu công ngh , nh ng t ng giá thành t ng Diode trong... p) Trong bán d n lo i N vì nn>> pp = n= qn n Trong bán d n lo i P vì có pp >> nn = p= qp p u b ion hoá hoàn toàn, n ng n= n t là Nd q nNd ng t n u b ion hoá hoàn toàn p= q pNa 12 Ch ng 2: C U TRÚC M CH VI 2.1 Chuy n ti p PN ng các bi n pháp công ngh , ng NT i ta t o ra c vùng chuy n ti p PN có tính d n n t bán d n lo i P sang bán d n lo i N ây là d ng ti p xúc phi tuy n có tính d n n không i x ng theo... Trong thi t k các hàm lôgíc trong các vi m ch CMOS s d ng c hai lo i transistor PMOS và NMOS Hai CMOS là có c tính c b n c a các linh ki n c ch t o b ng công ngh mi n nhi u cao và tiêu th n ng l th p Các vi m ch CMOS ch tiêu th n ng l transistor bên trong nó chuy n ng tr ng thái t nh r t ng m t cách áng k khi các i gi a các tr ng thái óng (ON) và m (OFF) K t qu là các thi t b CMOS ít tiêu th n ng l ng... u s gây ra th tr ng x u i ta ã thay th nhôm b ng silic a tinh th ng t trùng kh p làm c lên vùng khu ch tán ngu n ho c vùng dung ký sinh gi a c ng v i ngu n ho c máng, nh h a linh ki n Ng c ch t o tr c vi c này, ng n ho t ông t o nc c i ta k t t a l p silic a tinh c khi ch t o các vùng ngu n và máng L p silic a tinh th trò nh m t n cho vùng kênh, và vì silic a tinh th có th ch u 28 n óng vai c nhi t... i qua chuy n ti p n ng c (dòng rò) c a chuy n ti p PN ng ti n t i 1 giá tr bão hòa nào ó, và g i là dòng bão ng c c ch tích h p u tiên (1960) c ch t o d a trên các transistor ng c c, và r t nhi u lo i vi m ch SSI, MSI, LSI hi n nay c ng tri n t nh ng m ch ban u này ng l c c phát phát tri n các m ch IC là ch t o các máy tính ngày càng nh h n và ch t l ng h n Các m ch l ng c trong các máy tính hi n nay . H VI MCH C BN 101 4.1. Phân loi vi mch 101 4.1.1 . Th eo ch c n n g 101 4.1.2. Theo công ngh ch to 101 4.1.3. Theo linh kin c bn 101 4.1.4. Theo mc  t hp 101 4.2. Các h vi. 1 KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN  MÔN: N T - VI N THÔNG THS. V CHIN THNG  THUT VI N T P BÀI GING (Lu hành ni b) THÁI NGUYÊN 9/2010 2 C LC C. ch to 26 2.3.3 . C h to gin g 27 2.3.4 . n cc cng 28 Chng 3: CÔNG NGH CH TO MCH VI N T 30 3.1. Ch to phin bán dn 30 3.1.1. Quy trình ch to phin bán dn silic 30 3.1.2.