BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ

BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ

BÀI GIẢNG MÔN HỌC CÔNG NGHỆ VI ĐIÊN TỬ Credits: Prerequisites:- Semiconductor Devices - Microelectronic Circuit Design References HONG H LEE, Fundamentals of Microelectronics Processing 3rd Ed., McGraw-Hill; USA; 1990 STEPHEN BROWN and ZVONKO VRANESIC, Fundamentals of Digital Logic with VHDL Design, 3rd Ed., Mc.Graw-Hill, 2000 SUNG-MO KANG and YUSUF LEBLEBICI, CMOS Digital Integrated Circuits Analysis and Design Mc.Graw-Hill, 2005 DAN CLEIN, CMOS IC Layout, Newnes, 2000 DAVID A HODGES, HORACE G JACKSON, RESVE A SALEH, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits in Deep Submicron Technology, Mc.Graw-Hill, 2003 CHƯƠNG 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 mäüt cạch âäưng thåìi cạc pháưn tỉí riãng l transistor, diodes trón cuỡng mọỹt chip baùn dỏựn nhoớ (õióứn hỗnh laỡ Si), cạc pháưn tỉí âỉåüc näúi våïi nhåì cạc váût liãûu kim loải âỉåüc ph trãn bãư màût ca chip Cạc váût liãûu kim loải âọng vai tr cạc “ wireless wires” tỉåíng ny láưn âáưu tiãn âỉåüc âỉa 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 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 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 taỷo: monolithic hoỷc hybrid Trong khọn khọứ giaùo trỗnh naỡy 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 goüi SSI (Small Scale Integration) âãún thãú hãû måïi ULSI Hiãûn cäng nghãû CMOS våïi minimum device dimension ( khong cạch gate to gate) đạt tới cåỵ vi chủc nm (0.65, 0.45) Khuynh hỉåïng ch âảo viãûc gim nh kêch thỉåïc linh kiãûn 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 giaím chi phê trãn chip Våïi caí hai khuynh hỉåïng trãn, cäng nghãû xỉí l vi âiãûn tỉí ln phi âỉåüc ci tiãún Cạc cäng nghãû IC ch úu hiãûn l cäng nghãû MOS v cäng nghãû BJT cho silicon vaì MES cho gallium arsenide Hỗnh 1-1 (256 K DRAM, 1983, AT&T Bell Laboratories) §1.2 Bạn dáùn v cạc hảt ti Si âån tinh thãø l váût liãûu cå såí cho cäng nghãû IC Hỗnh 1-2a mọ taớ mọỹt planar view cuớa tinh thóứ Si våïi cạc âiãûn tỉí ca låïp ngoi cng (låïp v) cạc liãn kãút cng họa tri (covalent bond) giỉỵa cạc ngun tỉí lán cáûn Mäüt cháút bạn dáùn cọ thãø âỉåüc âënh nghéa l mäüt váût liãûu có âäü dáùn âiãûn cọ thãø âiãưu khiãøn âỉåüc, khong trung gian giỉỵa âiãûn mäi v kim loải Kh nàng thay âäøi âäü dáùn ca Si khong nhiãưu báûc cọ thãø âỉåüc thỉûc hiãûn båíi viãûc âỉa vo mảng tinh thãø Si cạc ngun tỉí tảp cháút họa trë Boron hồûc họa trë Phosphorus, chụng âỉåüc gi l cạc dopant hồûc l cạc tảp chỏỳt mong muọỳn Quaù trỗnh naỡy goỹi laỡ quaù trỗnh pha tảp hay doping Cạc bạn dáùn sảch âỉåüc gi l bạn dáùn thưn hay intrinsic, cạc bạn dáùn pha tảp gi l extrinsic Nãúu pha tảp nhọm (chàóng haỷn P) vaỡo Si thỗ ngoaỡi õióỷn tổớ lión kãút cng họa trë våïi âiãûn tỉí låïp v ca cạc ngun tỉí Si lán cáûn, âiãûn tỉí thỉï ca ngun tỉí tảp cọ liãn kãút lng lo våïi hảt nhán v cọ thãø chuøn âäüng tỉång âäúi dãù dng mảng tinh thãø Si Dảng bạn dáùn ny âỉåüc gë l bạn dáùn loải-n, v tảp nhọm âỉåüc gi l tảp donor Nãúu pha tảp nhọm (chúng haỷn B) vaỡo Si thỗ õióỷn tổớ låïp v ca ngun tỉí tảp liãn kãút cng họa trë våïi cạc âiãûn tỉí låïp v ca cạc ngun tỉí Si lán cáûn âọ cọ thãø coi låïp v ca ngun tỉí tảp cọ âiãûn tỉí, v bë träúng mäüt âiãûn tỉí Vë trê liãn kãút khuút ny âỉåüc gi l mäüt läù träúng (hole) Mäüt âiãûn tỉí tỉì ngun tỉí Si gáưn âọ cọ thãø “råi” vo chäù träúng ny v läù träúng âỉåüc xem chuøn dåìi âãún vë trê måïi Bạn dáùn loải ny âỉåüc gi l bạn dáùn loải -p, v tảp nhọm âỉåüc gi l tảp acceptor Cạc âiãûn tỉí v läù träúng dëch chuøn s mang theo chụng cạc âiãûn têch ám v dỉång nãn âỉåüc gi l cạc hảt ti Cạc cháút bạn dáùn cọ thãø åí dảng ngun täú (nhỉ Si, Ge) hồûc håüp pháưn Säú âiãûn tổớ trung bỗnh trón mọỹt nguyón tổớ thổồỡng bũng 4, trỉì trỉåìng håüp cạc bạn dáùn AV-BVI Mäüt bạn dáùn thưn thỉåìng l âiãûn mäi trỉì âỉåüc kêch thêch nhiãût hồûc quang Nãúu kêch thêch â mảnh cọ thãø tråí thnh dáùn âiãûn Cạc mỉïc nàng lỉåüng kh dé ca âiãûn tỉí l råìi rảc v sỉû kêch thêch s lm cho cạc âiãûn tỉí cọ thóứ nhaớy lón mổùc nng lổồỹng cao hồn Vỗ chỏỳt bạn dáùn cọ thãø l âiãûn mäi hay dáùn âiãûn ty thüc vo mỉïc âäü kêch thêch, nãn cọ thãø coi biãøu hiãûn mäüt cháút dáùn âiãûn nãúu nàng lỉåüng kêch thêch vỉåüt quạ mäüt mỉïc ngỉåỵng nháút âënh, gi l energy barrier, k hiãûu Eg (cn âỉåüc gi l khe nàng lỉåüng - energy gap) Khe nàng lỉåüng thay âäøi tỉì 0.18 eV cho InSb tåïi 3.6 eV cho ZnS Cạc váût dáùn kim loải khäng cọ khe nàng lỉåüng nãn cọ thãø dáùn âiãûn cọ hồûc khäng cọ kêch thêch Cạc cháút cạch âiãûn cọ khe nàng lỉåüng låïn âãún mỉïc khäng dáùn âiãûn c kêch thêch mảnh Khi khäng cọ kêch thêch táút c cạc âiãûn tỉí ca bạn dáùn chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng tháúp cạc trảng thại họa trë Màûc d cạc mỉïc nàng lỉåüng l giạn õoaỷn nhổng vỗ coù rỏỳt nhióửu mổùc nón coù thóứ xem táûp håüp cạc trảng thại cng họa trë mäüt di hay vng họa trë (valence band) Mỉïc nàng lỉåüng cao nháút ca vng họa trë k hiãûu l Ev Phêa trãn khe nàng lỉåüng ( cn gi l vng cáúm) l di nàng lỉåüng ca cạc trảng thại dáùn, gi l vng dáùn Mỉïc nàng lỉåüng tháúp nháút cuớa vuỡng dỏựn kyù hióỷu laỡ Ec Hỗnh 1-2a mọ taớ cỏỳu hỗnh caùc mổùc nng lổồỹng cuớa mọỹt baùn dáùn thưn åí 0oK Khi bạn dáùn thưn âỉåüc pha tảp donor, cạc âiãûn tỉí donor s chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng gáưn dỉåïi vng dáùn, våïi mỉïc nàng lỉåüng tháúp nháút cạc mỉïc ny âỉåüc gi l mỉïc donor, kyù hióỷu laỡ Ed (hỗnh 1-2b) Khi baùn dỏựn thưn âỉåüc pha tảp acceptor, cạc läù träúng s chiãúm cạc mỉïc nàng lỉåüng gáưn trãn âènh vng họa trë, våïi mỉïc nàng lỉåüng cao nháút cạc mỉïc ny õổồỹc goỹi laỡ mổùc acceptor, kyù hióỷu laỡ Ea (hỗnh 1-2c) Khi bạn dáùn thưn chëu kêch thêch nhiãût, mäüt säú âiãûn tỉí vng họa trë bë kêch thêch cọ thãø vỉåüt qua vng cáúm âãø lãn vng dáùn âäưng thåìi tảo mäüt säú läù träúng tỉång ỉïng åí vng họa trë, v cạc càûp âiãûn tỉí läù trọỳng (EHP - electron hole pair) õổồỹc taỷo Vỗ cạc mỉïc donor bạn dáùn loải -n ráút gáưn våïi vng dáùn nãn cạc kêch thêch nhẻ cng â âãø lm cho cạc âiãûn tỉí donor nhy lãn vng dáùn, âọ näưng âäü âiãûn tỉí vng dáùn l ráút låïn c åí nhiãût âäü tháúp âäúi vồùi vióỷc hỗnh thaỡnh caùc EHP Vồùi baùn dỏựn loaỷi -p, vỗ caùc mổùc acceptor rỏỳt gỏửn trón õốnh vuỡng họa trë nãn mäüt kêch thêch nhẻ cọ thãø lm cho cạc âiãûn tỉí vng họa trë nhy lãn chiãúm cạc mỉïc acceptor v âãø lải cạc läù träúng vng họa trë Do âọ cạc bạn dáùn loải -p cọ thãø cọ näưng âäü läù träúng låïn c åí nhiãût âäü tháúp Khi mäüt bạn dáùn âỉåüc pha tảp loải-n hồûc loải -p, mäüt hai loải hảt ti s chiãúm ỉu thãú vãư näưng âäü v âỉåüc gi l hảt ti cå bn (hay majority carrier), loải hảt ti cn lải âỉåüc gi l hảt ti khäng cå bn (hay minority carrier) §1.3 Cạc quan hóỷ cồ baớn vaỡ õọỹ dỏựn õióỷn Vỗ chuyóứn õọỹng ca cạc hảt ti tảo sỉû dáùn âiãûn, nãn näưng âäü hảt ti l âải lỉåüng âỉåüc quan tám hng âáưu cäng nghãû IC Våïi bạn dáùn thưn, näưng âäü âiãûn tỉí vng dáùn n bàịng näưng âäü läù träúng vng họa trë p: n = p = ni (1.1) âọ ni gi l näưng âäü hảt ti näüi ca bạn dáùn thưn åí trảng thại cán bàịng (hay trảng thại ténh) Gi thiãút cạc tảp cháút phán bäú âäưng nháút Âãø tha mn âiãưu kiãûn trung hoìa âiãûn têch (trung hoìa ténh âiãûn) bạn dáùn thưn, cạc âiãûn têch dỉång phi bàịng cạc âiãûn têch ám Våïi silicon, cạc tảp cháút hồûc thiãúu hủt hồûc dỉ thỉìa mäüt âiãûn tỉí so våïi Si Vỗ vỏỷy: P + ND = n + NA (1.2) âọ, ND l näưng âäü cạc ngun tỉí donor v NA l näưng âäü cạc ngun tỉí acceptor Phổồng trỗnh (1.2) coỡn goỹi laỡ õióửu kióỷn trung hoỡa âiãûn têch khäng gian, âọ â gi thiãút ràịng táút c cạc âiãûn tỉí donor v cạc läù träúng acceptor âãưu âỉåüc kêch thêch hon ton 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 pha tảp quạ mảnh (näưng âäü ngun tỉí tảp cháút > 1018 cm-3) Nọi cạch khạc, ND cọ thãø âỉåüc thay thãú båíi ND+ v NA båíi NA- ÅÍ trảng thại cán bàịng nhiãût: pn = ni2 (1.3) Quan hãû ny âụng cho cạc loải bạn dáùn báút k åí cán bàịng nhiãût Våïi mäüt bạn dáùn loải -n, näưng âäü âiãûn tỉí nn cọ thãø nháûn âỉåüc thay (1.3) vaìo (1.2): [ ] 1⎧ 2 2⎫ nn = ⎨ N D − N A + (N D − N A ) + 4ni ⎬ 2⎩ ⎭ (1.4) Tỉång tỉû cho bạn dáùn loải -p: [ ] 1⎧ 2 2⎫ p p = ⎨ N A − N D + (N A − N D ) + ni ⎬ 2⎩ ⎭ (1.5) Näöng âäü hảt ti näüi ca Si l 4.5 x 1010 cm-3 åí 27o C, ca GaAs l x 106 Âäü låïn ca näưng âäü tảp cháút täøng cng | ND - NA| nọi chung låïn hån ráút nhiãưu so våïi ni Vỗ vỏỷy nọửng õọỹ haỷt taới cồ baớn coù thãø âỉåüc xáúp xè tỉì (1.4) v (1.5): nn ≈ ND - NA (1.6) pp ≈ NA - ND (1.7) Näưng âäü hảt ti khäng cå bn (thiãøu säú) cọ thãø âỉåüc xáúp xè tỉì (1.6) , (1.7) vaì (1.3): ni pn ≈ ND − NA (1.8) ni np ≈ NA − ND (1.9) âoï pn v l näưng âäü läù träúng bạn dáùn n v np l näưng âäü âiãûn tỉí bạn dáùn p Xạc sút f(E) âãø mäüt trảng thại âiãûn tỉí våïi mỉïc nàng lỉåüng E bë chiãúm båíi mäüt âiãûn tỉí âỉåüc cho båíi hm xạc sút Fermi-Dirac: f (E ) = 1+ e ( E − E F ) / kT (1.10) våïi T laì nhiãût âäü tuût âäúi, k l hàịng säú Boltzmann (8.62 x 10-5 eV/K = 1.38 x 10-23 J/K) v EF âỉåüc gi l mỉïc Fermi Mỉïc Fermi chênh l thãú họa hc ca âiãûn tỉí cháút ràõn, v cọ thãø xem mỉïc nàng lỉåüng m tải âọ xạc sút chiãúm trảng thại ca âiãûn tỉí âụng bàịng 1/2 Âäư thë hm phán bäú xạc sút Fermi-Dirac cho cạc nhiãût âäü khaùc õổồỹc minh hoỹa ồớ hỗnh (1-3): Hỗnh 1-3 phán bäú xạc sút Fermi-Dirac Tỉì hm phán bäú xạc sút Fermi-Dirac, säú kh dé cạc âiãûn tỉí bạn dáùn cọ mỉïc nàng lỉåüng xạc âënh cọ thãø âỉåüc tỉì hm máût âäü xạc sút N(E) Nãúu säú trảng thại nàng lỉåüng trãn mäüt âån vë thãø têch (hay máût âäü trảng thại) åí khong nàng lổồỹng dE laỡ N(E)dE, thỗ sọỳ õióỷn tổớ trón mọỹt âån vë thãø têch (hay máût âäü âiãûn tỉí) vng dáùn, n, âỉåüc cho båíi: ∞ ∫ n = E f ( E ) N ( E ) dE (1.11) c Vãư ngun tàõc N(E) cọ thãø âỉåüc tỉì cå hc lỉåüng tỉí v ngun l loải trỉì Pauli Tuy nhiãn âãø tiãûn låüi coï thãø biãøu diãùn cạc âiãûn tỉí phán bäú vng dáùn båíi máût âäü hiãûu dủng cạc trảng thại Nc âënh xỉï tải båì vng dáùn Ec.Khi âọ näưng âäü âiãûn tỉí vng dáùn cọ dảng âån giạn: N = Nc f(Ec) (1.12) Trong âọ Nc âỉåüc cho båíi: N c ⎛ π m n∗ kT = 2⎜ h ⎝ ⎞ ⎟ ⎠ / (1.13) ⎧ × 10 19 (T / 300 ) / cm − for Si =⎨ 17 3/2 −3 × 10 ( T / 300 ) cm for GaAs ⎩ âọ mn* l khäúi lỉåüng hiãûu dủng ca âiãûn tỉí âãún nh hỉåíng ca mảng tinh thãø lãn âàûc trỉng ca âiãûn tỉí v h l hàịng säú Plank Nãúu (Ec - Ef ) låïn hån mäüt vi láưn kT (thỉåìng åí nhiãût âäü phng kT = 0.026eV nãn âiãưu kiãûn ny tha mn), thi phán bäú xạc sút f(Ec) cọ thãø âỉåüc gáưn âụng sau: f (Ec ) = 1 + e ( E c − E F ) / kT ≈e ( − Ec − E f )/ kT (1.14) Khi âọ (1.12) tråí thnh: ( ) − Ec −E f / kT n = Nce Tæång tæû: p = N ve ( ) − E f − E v / kT ⎛ π m kT N v = ⎜⎜ h ⎝ Våïi (1.15) ∗ p ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (1.16) 3/ ⎧ 04 × 10 19 ( T / 300 ) / cm − for Si = ⎨ 18 3/2 −3 for GaAs ⎩ × 10 ( T / 300 ) cm (1.17) mp* laì khäúi lổồỹng hióỷu duỷng cuớa lọự trọỳng Caùc phổồng trỗnh (1.15) v (1.16) cọ hiãûu lỉûc cho c bạn dáùn thưn v pha tảp, chè thay EF bàịng EI cho trỉåìng håüp bạn dáùn thưn Nãúu cạc hảt ti phán bäú âãưu, máût âäü dng âiãûn sỉû dëch chuøn ca caùc õióỷn tổớ vồùi vỏỷn tọỳc trung bỗnh theo mäüt hỉåïng no âọ (chàóng hản hỉåïng x) l: J n = qn v n (1.18) Nãúu cạc hảt ti phỏn bọỳ khọng õóửu thỗ coỡn coù thóm thaỡnh phỏửn dng khúch tạn: J n = qn v n − D n ( q ) dn dx (1.19) Trong âoï D l hãû säú khúch tạn ca hảt ti Säú hảng thỉï nháút âỉåüc gi l dng träi (drift), t lãû våïi cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng E váûn täúc trung bỗnh cuớa caùc haỷt taới tyớ lóỷ vồùi cổồỡng âäü âiãûn trỉåìng E våïi hãû säú t lãû µ, âỉåc gi l âäü linh âäüng: v = µE ; Våïi âiãûn tỉí: µ [cm / V s ] = −µn E ,våïi läù träúng: vp = µ pE (1.20) Âäü linh âäüng ca hảt ti phủ thüc vo näưng âäü hảt ti v vo nhiãût âäü Nọi chung âäü linh âäüng ca âiãûn tỉí låïn hån âäü linh âäüng cuía läù träúng Våïi Si, åí nhiãût âäü 20oC, µn = 1900 cm2/(V.s) v µp = 425 cm2/(V.s) Quan hãû (1.20) âụng våïi cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng khäng quạ låïn (thỉåìng nh hån 0.2V/cm) Våïi âiãûn trỉåìng låïn hån, âäü linh âäüng tàng cháûm theo cỉåìng âäü âiãûn trỉåìng v tiãún tåïi giạ trë bo Dng âiãûn täøng cäüng c hai loải hảt ti l: J =Jn + Jp (1.21) Tỉì (1.19) dãù tháúy ràịng âäü dáùn âiãûn: σ = q(nµn + pµp) (1.22) Hãû säú khuãúch taïn (1.19) quan hãû våïi âäü linh âäüng theo hãû thỉïc Einstein D = kT q µ (1.23) 10 ... måïi ULSI Hiãûn cäng nghãû CMOS våïi minimum device dimension ( khong cạch gate to gate) đạt tới cåỵ vi chủc nm (0.65, 0.45) Khuynh hỉåïng ch âảo vi? ?ûc gim nh kêch thỉåïc linh kiãûn cäng nghãû...CHƯƠNG 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 vi? ?ûc tảo mäüt cạch âäưng thåìi cạc pháưn... regulators) Cạc mảch säú tảo 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