1 BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ Credits: 2 Prerequisites:- Semiconductor Devices - Microelectronic Circuit Design References 1. HONG H. LEE, Fundamentals of Microelectronics Processing. 3 rd Ed., McGraw-Hill; USA; 1990. 2. STEPHEN BROWN and ZVONKO VRANESIC, Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design, 3rd Ed., Mc.Graw-Hill, 2000. 3. SUNG-MO KANG and YUSUF LEBLEBICI, CMOS Digital Integrated Circuits Analysis and Design. Mc.Graw-Hill, 2005. 4. DAN CLEIN, CMOS IC Layout, Newnes, 2000. 5. DAVID A. HODGES, HORACE G. JACKSON, RESVE A. SALEH, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits in Deep Submicron Technology, Mc.Graw-Hill, 2003. 2 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ CƠNG NGHỆ MẠCH TÍCH HỢP §1.1 Cạc mảch têch håüp Cạc mảch têch håüp (IC) l cạc mảch âiãûn tỉí âỉåüc chãú tảo båíi viãûc tảo ra mäüt cạch âäưng thåìi cạc pháưn tỉí riãng l nhỉ transistor, diodes trãn cng mäüt chip bạn dáùn nh (âiãøn hçnh l Si), cạc pháưn tỉí âỉåüc näúi våïi nhau nhåì cạc váût liãûu kim loải âỉåüc ph trãn bãư màût ca chip. Cạc váût liãûu kim loải âọng vai tr nhỉ cạc “ wireless wires”. tỉåíng ny láưn âáưu tiãn âỉåüc âỉa ra båíi Dummer nàm 1952. Cạc mảch têch håüp âáưu tiãn âỉåüc phạt minh båíi Kilby, 1958. Cạc mảch têch håüp vãư cå bn âỉåüc chia thnh 2 loải chênh: analog (hay linear) v digital (hay logic). Cạc mảch têch håüp tỉång tỉû hồûc khúch âải hồûc âạp ỉïng cạc âiãûn ạp biãún âäøi. Tiãu biãøu l cạc mảch khúch âải, timers, dao âäüng v cạc mảch âiãưu khiãøn âiãûn ạp (voltage regulators). Cạc mảch säú tảo ra hồûc âạp ỉïng cạc tên hiãûu chè cọ hai mỉïc âiãûn ạp. Tiãu biãøu l cạc bäü vi xỉí l, cạc bäü nhåï, v cạc microcomputer. Cạc mảch têch håüp cng cọ thãø âỉåüc phán loải theo cäng nghãû chãú tảo: monolithic hồûc hybrid. Trong khän khäø giạo trçnh ny chụng ta chè ngiãn cỉïu loải thỉï nháút. Quy mä ca sỉû têch håüp ca cạc mảch têch håüp trãn så såí Silicon â tàng lãn ráút nhanh chọng tỉì thãú hãû âáưu tiãn âỉåüc chãú tảo båíi Texas Instruments nàm 1960 våïi tãn gi SSI (Small Scale Integration) âãún thãú hãû måïi ULSI. Hiãûn nay cäng nghãû CMOS våïi minimum device dimension ( khong cạch gate to gate) đạt tớ i cåỵ vi chủc nm (0.65, 0.45). Khuynh hỉåïng ch âảo trong viãûc gim nh kêch thỉåïc linh kiãûn trong cäng nghãû mảch têch håüp l gim chi phê cho cng mäüt chỉïc nàng, gim tiãu thủ cäng sút v náng cao täúc âäü ca linh kiãûn. Mäüt khuynh hỉåïng khạc l váùn tiãúp tủc sỉí dủng cạc âéa bạn dáùn låïn âãø gim chi phê trãn chip. Våïi c hai khuynh hỉåïng trãn, cäng nghãû xỉí l vi âiãûn tỉí ln phi âỉåüc ci tiãún. Cạc cäng nghãû IC ch úu hiãûn nay l cäng nghãû MOS v cäng nghãû BJT cho silicon v MES cho gallium arsenide. Hçnh 1-1 (256 K DRAM, 1983, AT&T Bell Laboratories) 3 4 Đ1.2 Baùn dỏựn vaỡ caùc haỷt taới Si õồn tinh thóứ laỡ vỏỷt lióỷu cồ sồớ cho cọng nghóỷ IC. Hỗnh 1-2a mọ taớ mọỹt planar view cuớa tinh thóứ Si vồùi caùc õióỷn tổớ cuớa lồùp ngoaỡi cuỡng (lồùp voớ) trong caùc lión kóỳt coỹng hoùa tri (covalent bond) giổợa caùc nguyón tổớ lỏn cỏỷn. Mọỹt chỏỳt baùn dỏựn coù thóứ õổồỹc õởnh nghộa nhổ laỡ mọỹt vỏỷt lióỷu cú õọỹ dỏựn õióỷn coù thóứ õióửu khióứn õổồỹc, trong khoaớng trung gian giổợa õióỷn mọi vaỡ kim loaỷi. Khaớ nng thay õọứi õọỹ dỏựn cuớa Si trong khoaớng nhióửu bỏỷc coù thóứ õổồỹc thổỷc hióỷn bồới vióỷc õổa vaỡo maỷng tinh thóứ Si caùc nguyón tổớ taỷp chỏỳt hoùa trở 3 nhổ Boron hoỷc hoùa trở 5 nhổ Phosphorus, chuùng õổồỹc goỹi laỡ caùc dopant hoỷc laỡ caùc taỷp chỏỳt mong muọỳn. Quaù trỗnh naỡy goỹi laỡ quaù trỗnh pha taỷp hay doping. Caùc baùn dỏựn saỷch õổồỹc goỹi laỡ baùn dỏựn thuỏửn hay intrinsic, caùc baùn dỏựn pha taỷp goỹi laỡ extrinsic. Nóỳu pha taỷp nhoùm 5 (chúng haỷn P) vaỡo Si thỗ ngoaỡi 4 õióỷn tổớ lión kóỳt coỹng hoùa trở vồùi 4 õióỷn tổớ lồùp voớ cuớa caùc nguyón tổớ Si lỏn cỏỷn, õióỷn tổớ thổù 5 cuớa nguyón tổớ taỷp coù lión kóỳt loớng leớo vồùi haỷt nhỏn vaỡ coù thóứ chuyóứn õọỹng tổồng õọỳi dóự daỡng trong maỷng tinh thóứ Si. Daỷng baùn dỏựn naỡy õổồỹc gở laỡ baùn dỏựn loaỷi-n, vaỡ taỷp nhoùm 5 õổồỹc goỹi laỡ taỷp donor. Nóỳu pha taỷp nhoùm 3 (chúng haỷn B) vaỡo Si thỗ 3 õióỷn tổớ lồùp voớ cuớa nguyón tổớ taỷ p lión kóỳt coỹng hoùa trở vồùi caùc õióỷn tổớ lồùp voớ cuớa caùc nguyón tổớ Si lỏn cỏỷn do õoù coù thóứ coi lồùp voớ cuớa nguyón tổớ taỷp coù 7 õióỷn tổớ, vaỡ bở trọỳng mọỹt õióỷn tổớ. Vở trờ lión kóỳt khuyóỳt naỡy õổồỹc goỹi laỡ mọỹt lọự trọỳng (hole). Mọỹt õióỷn tổớ tổỡ nguyón tổớ Si gỏửn õoù coù thóứ rồi vaỡo chọự trọỳng naỡy vaỡ lọự trọỳng õổồỹc xem nhổ chuyóứn dồỡi õóỳn vở trờ mồùi. Baùn dỏựn loaỷi naỡy õổồỹc goỹi laỡ baùn dỏựn loaỷi -p, vaỡ taỷp nhoùm 3 õổồỹc goỹi laỡ taỷp acceptor. Caùc õióỷn tổớ vaỡ lọự trọỳng khi dởch chuyóứn seợ mang theo chuùng caùc õióỷn tờch ỏm vaỡ dổồng nón õổồỹc goỹi laỡ caùc haỷt taớ i. Caùc chỏỳt baùn dỏựn coù thóứ ồớ daỷng nguyón tọỳ (nhổ Si, Ge) hoỷc hồỹp phỏửn. Sọỳ õióỷn tổớ trung bỗnh trón mọỹt nguyón tổớ thổồỡng bũng 4, ngoaỷi trổỡ trổồỡng hồỹp caùc baùn dỏựn A V -B VI . Mọỹt baùn dỏựn thuỏửn thổồỡng laỡ õióỷn mọi trổỡ khi noù õổồỹc kờch thờch nhióỷt hoỷc quang. Nóỳu kờch thờch õuớ maỷnh noù coù thóứ trồớ thaỡnh dỏựn õióỷn. Caùc mổùc nng lổồỹng khaớ dộ cuớa õióỷn tổớ laỡ rồỡi raỷc vaỡ sổỷ kờch thờch seợ laỡm cho caùc õióỷn tổớ coù thóứ nhaớy lón mổùc nng lổồỹng cao hồn. Vỗ chỏỳt baùn dỏựn coù thóứ laỡ õióỷn mọi hay dỏựn õióỷn tuỡy thuọỹc vaỡo mổùc õọỹ kờch thờch, nón coù thóứ coi noù bióứu hióỷn nhổ mọỹt chỏỳt dỏựn õióỷn nóỳu nng lổồỹng kờch thờch vổồỹt quaù mọỹt mổùc ngổồợng nhỏỳt õởnh, goỹi laỡ energy barrier, kyù hióỷu E g (coỡn õổồỹc goỹi laỡ khe nng lổồỹng - energy gap). Khe nng lổồỹng thay õọứi tổỡ 0.18 eV cho InSb tồùi 3.6 eV cho ZnS. Caùc vỏỷt dỏựn nhổ kim loaỷi khọng coù khe nng lổồỹng nón coù thóứ dỏựn õióỷn khi coù hoỷc khọng coù kờch thờch. Caùc chỏỳt caùch õióỷn coù khe nng lổồỹng lồùn õóỳn mổùc khọng dỏựn õióỷn ngay caớ khi kờch thờch maỷnh. Khi 5 khọng coù kờch thờch tỏỳt caớ caùc õióỷn tổớ cuớa baùn dỏựn chióỳm caùc mổùc nng lổồỹng thỏỳp trong caùc traỷng thaùi hoùa trở. Mỷc duỡ caùc mổùc nng lổồỹng laỡ giaùn õoaỷn nhổng vỗ coù rỏỳt nhióửu mổùc nón coù thóứ xem tỏỷp hồỹp caùc traỷng thaùi coỹng hoùa trở nhổ mọỹt daới hay vuỡng hoùa trở (valence band). Mổùc nng lổồỹng cao nhỏỳt cuớa vuỡng hoùa trở kyù hióỷu laỡ E v . Phờa trón khe nng lổồỹng ( coỡn goỹi laỡ vuỡng cỏỳm) laỡ daới nng lổồỹng cuớa caùc traỷng thaùi dỏựn, goỹi laỡ vuỡng dỏựn. Mổùc nng lổồỹng thỏỳp nhỏỳt cuớa vuỡng dỏựn kyù hióỷu laỡ E c . Hỗnh 1-2a mọ taớ cỏỳu hỗnh caùc mổùc nng lổồỹng cuớa mọỹt baùn dỏựn thuỏửn ồớ 0 o K. Khi baùn dỏựn thuỏửn õổồỹc pha taỷp donor, caùc õióỷn tổớ donor seợ chióỳm caùc mổùc nng lổồỹng gỏửn dổồùi vuỡng dỏựn, vồùi mổùc nng lổồỹng thỏỳp nhỏỳt trong caùc mổùc naỡy õổồỹc goỹi laỡ mổùc donor, kyù hióỷu laỡ E d (hỗnh 1-2b). Khi baùn dỏựn thuỏửn õổồỹc pha taỷp acceptor, caùc lọự trọỳng seợ chióỳm caùc mổùc nng lổồỹng gỏửn trón õốnh vuỡng hoùa trở, vồùi mổùc nng lổồỹng cao nhỏỳt trong caùc mổùc naỡy õổồỹc goỹi laỡ mổùc acceptor, kyù hióỷu laỡ E a (hỗnh 1-2c). Khi baùn dỏựn thuỏửn chởu kờch thờch nhióỷt, mọỹt sọỳ õióỷn tổớ trong vuỡng hoùa trở bở kờch thờch coù thóứ vổồỹt qua vuỡng cỏỳm õóứ lón vuỡng dỏựn õọửng thồỡi taỷo ra mọỹt sọỳ lọự trọỳng tổồng ổùng ồớ vuỡng hoùa trở, vaỡ caùc cỷp õióỷn tổớ lọự trọỳng (EHP - electron hole pair) õổồỹc taỷo ra. Vỗ caùc mổùc donor trong baùn dỏựn loaỷi -n rỏỳt gỏửn vồùi vuỡng dỏựn nón caùc kờch thờch nheỷ cuợng õuớ õóứ laỡm cho caùc õióỷn tổớ donor nhaớy lón vuỡng dỏựn, do õoù nọửng õọỹ õióỷn tổớ trong voỡng dỏựn laỡ rỏỳt lồùn ngay caớ ồớ nhióỷt õọỹ thỏỳp õọỳi vồùi vióỷc hỗnh thaỡnh caùc EHP. Vồùi baùn dỏựn loaỷi -p, vỗ caùc mổùc acceptor rỏỳt gỏửn trón õốnh vuỡng hoùa trở nón mọỹt kờch thờch nheỷ coù thóứ laỡm cho caùc õióỷn tổớ trong vuỡng hoùa trở nhaớy lón chióỳm caùc mổùc acceptor vaỡ õóứ laỷi caùc lọự trọỳng trong vuỡng hoùa trở. Do õoù caùc baùn dỏựn loaỷi -p coù thóứ coù nọửng õọỹ lọự trọỳng lồùn ngay caớ ồớ nhióỷt õọỹ thỏỳp. Khi mọỹt baùn dỏựn õổồỹc pha taỷp loaỷi-n hoỷc loaỷi -p, mọỹt trong hai loaỷi haỷt taới seợ chióỳm ổu thóỳ vóử nọửng õọỹ vaỡ õổồỹc goỹi laỡ haỷt taới cồ baớn (hay majority carrier), loaỷi haỷt taới coỡn laỷi õổồỹc goỹi laỡ haỷt taới khọng cồ baớn (hay minority carrier). §1.3 Cạc quan hãû cå bn v âäü dáùn âiãûn Vç chuøn âäüng ca cạc hảt ti tảo ra sỉû dáùn âiãûn, nãn näưng âäü hảt ti l âải lỉåüng âỉåüc quan tám hng âáưu trong cäng nghãû IC. Våïi bạn dáùn thưn, näưng âäü âiãûn tỉí trong vng dáùn n bàòng näưng âäü läù träúng trong vng họa trë p: n = p = n i (1.1) trong âọ n i gi l näưng âäü hảt ti näüi ca bạn dáùn thưn åí trảng thại cán bàòng (hay trảng thại ténh). Gi thiãút cạc tảp cháút phán bäú âäưng nháút. Âãø tha mn âiãưu kiãûn trung ha âiãûn têch (trung ha ténh âiãûn) trong bạn dáùn thưn, cạc âiãûn têch dỉång phi bàòng cạc âiãûn têch ám. Våïi silicon, cạc tảp cháút hồûc thiãúu hủt hồûc dỉ thỉìa mäüt âiãûn tỉí so våïi Si. Vç váûy: P + N D = n + N A (1.2) trong âọ, N D l näưng âäü cạc ngun tỉí donor v N A l näưng âäü cạc ngun tỉí acceptor . Phỉång trçnh (1.2) cn gi l âiãưu kiãûn trung ha âiãûn têch khäng gian, trong âọ â gi thiãút ràòng táút c cạc âiãûn tỉí donor v cạc läù träúng acceptor âãưu âỉåüc kêch thêch hon ton sao cho cạc mỉïc donor v acceptor âãưu hon ton bë chiãúm båíi cạc âiãûn tỉí. ÅÍ nhiãût âäü phng, gi thiãút ny nọi chung cọ thãø cháúp nháûn âỉåüc trỉì khi pha tảp quạ mảnh (näưng âäü ngun tỉí tảp cháút > 10 18 cm -3 ). Nọi cạch khạc, N D cọ thãø âỉåüc thay thãú båíi N D + v N A båíi N A - . ÅÍ trảng thại cán bàòng nhiãût: pn = n i 2 (1.3) Quan hãû ny âụng cho cạc loải bạn dáùn báút k åí cán bàòng nhiãût. Våïi mäüt bạn dáùn loải -n, näưng âäü âiãûn tỉí n n cọ thãø nháûn âỉåüc khi thay (1.3) vo (1.2): (1.4) () [] ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ +−+−= 2 1 22 4 2 1 iADADn nNNNNn Tỉång tỉû cho bạn dáùn loải -p: (1.5) () [] ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ +−+−= 2 1 22 4 2 1 iDADAp nNNNNp 6 Nọửng õọỹ haỷt taới nọỹi cuớa Si laỡ 4.5 x 10 10 cm -3 ồớ 27 o C, cuớa GaAs laỡ 9 x 10 6 . ọỹ lồùn cuớa nọửng õọỹ taỷp chỏỳt tọứng coỹng | N D - N A | noùi chung lồùn hồn rỏỳt nhióửu so vồùi n i . Vỗ vỏỷy nọửng õọỹ haỷt taới cồ baớn coù thóứ õổồỹc tờnh xỏỳp xố tổỡ (1.4) vaỡ (1.5): n n N D - N A (1.6) p p N A - N D (1.7) Nọửng õọỹ haỷt taới khọng cồ baớn (thióứu sọỳ) coù thóứ õổồỹc tờnh xỏỳp xố tổỡ (1.6) , (1.7) vaỡ (1.3): AD i n NN n p 2 (1.8) DA i p NN n n 2 (1.9) trong õoù p n vaỡ laỡ nọửng õọỹ lọự trọỳng trong baùn dỏựn n vaỡ n p laỡ nọửng õọỹ õióỷn tổớ trong baùn dỏựn p. Xaùc suỏỳt f(E) õóứ mọỹt traỷng thaùi õióỷn tổớ vồùi mổùc nng lổồỹng E bở chióỳm bồới mọỹt õióỷn tổớ õổồỹc cho bồới haỡm xaùc suỏỳt Fermi-Dirac: () kTEE F e Ef / 1 1 )( + = (1.10) vồùi T laỡ nhióỷt õọỹ tuyóỷt õọỳi, k laỡ hũng sọỳ Boltzmann (8.62 x 10 -5 eV/K = 1.38 x 10 -23 J/K) vaỡ E F õổồỹc goỹi laỡ mổùc Fermi. Mổùc Fermi chờnh laỡ thóỳ hoùa hoỹc cuớa õióỷn tổớ trong chỏỳt rừn, vaỡ coù thóứ xem nhổ mổùc nng lổồỹng maỡ taỷi õoù xaùc suỏỳt chióỳm traỷng thaùi cuớa õióỷn tổớ õuùng bũng 1/2. ọử thở haỡm phỏn bọỳ xaùc suỏỳt Fermi-Dirac cho caùc nhióỷt õọỹ khaùc nhau õổồỹc minh hoỹa ồớ hỗnh (1-3): Hỗnh 1-3 phỏn bọỳ xaùc suỏỳt Fermi-Dirac 7 Tổỡ haỡm phỏn bọỳ xaùc suỏỳt Fermi-Dirac, sọỳ khaớ dộ caùc õióỷn tổớ trong baùn dỏựn coù mổùc nng lổồỹng xaùc õởnh coù thóứ õổồỹc tờnh tổỡ haỡm mỏỷt õọỹ xaùc suỏỳt N(E). Nóỳu sọỳ traỷng thaùi nng lổồỹng trón mọỹt õồn vở thóứ tờch (hay mỏỷt õọỹ traỷng thaùi) ồớ trong khoaớng nng lổồỹng dE laỡ N(E)dE, thỗ sọỳ õióỷn tổớ trón mọỹt õồn vở thóứ tờch (hay mỏỷt õọỹ õióỷn tổớ) trong vuỡng dỏựn, n, õổồỹc cho bồới: dEENEfn c E )()( = (1.11) Vóử nguyón từc N(E) coù thóứ õổồỹc tờnh tổỡ cồ hoỹc lổồỹng tổớ vaỡ nguyón lyù loaỷi trổỡ Pauli. Tuy nhión õóứ tióỷn lồỹi coù thóứ bióứu dióựn caùc õióỷn tổớ phỏn bọỳ trong vuỡng dỏựn bồới mỏỷt õọỹ hióỷu duỷng caùc traỷng thaùi N c õởnh xổù taỷi bồỡ vuỡng dỏựn E c .Khi õoù nọửng õọỹ õióỷn tổớ trong vuỡng dỏựn coù daỷng õồn giaùn: N = N c f ( E c ) (1.12) Trong õoù N c õổồỹc cho bồới: 2/3 2 2 2 = h kTm N n c (1.13) ì ì = GaAsfor )300/(107.4 for )300/(108.2 32/317 32/319 cmT SicmT trong õoù m n * laỡ khọỳi lổồỹng hióỷu duỷng cuớa õióỷn tổớ khi tờnh õóỳn aớnh hổồớng cuớa maỷng tinh thóứ lón õỷc trổng cuớa õióỷn tổớ vaỡ h laỡ hũng sọỳ Plank. Nóỳu (E c - E f ) lồùn hồn mọỹt vaỡi lỏửn kT (thổồỡng ồớ nhióỷt õọỹ phoỡng kT = 0.026eV nón õióửu kióỷn naỡy thoớa maợn), thi phỏn bọỳ xaùc suỏỳt f(E c ) coù thóứ õổồỹc tờnh gỏửn õuùng nhổ sau: (1.14) () () kTEE kTEE c fc Fc e e Ef / / 1 1 )( + = 8 . 1 BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ Credits: 2 Prerequisites:- Semiconductor Devices - Microelectronic Circuit Design References 1. HONG H. LEE, Fundamentals. nháûn âỉåüc khi thay (1. 3) vo (1. 2): (1. 4) () [] ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ +−+−= 2 1 22 4 2 1 iADADn nNNNNn Tỉång tỉû cho bạn dáùn loải -p: (1. 5) () [] ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ +−+−= 2 1 22 4 2 1 iDADAp nNNNNp . N = N c f ( E c ) (1. 12) Trong õoù N c õổồỹc cho bồới: 2/3 2 2 2 = h kTm N n c (1. 13) ì ì = GaAsfor )300/ (10 7.4 for )300/ (10 8.2 32/ 317 32/ 319 cmT SicmT trong