Thomas Giebel. Grundlagen der CMOS-Technologie

Transkript

1 Thomas Giebel Grundlagen der CMOS-Technologie

2 Thomas Giebel Grundlagen der CMOS-Technologie Mit 179 Abbildungen, 10 Tabellen und zahlreichen Beispielen Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2002

3 Die Deutsche Bibliothek - ClP-Einheitsautnahme Ein Titeldatensatz tor diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhaltlich. Prof. Or.-Ing. Thomas Giebel lehrt Halbleitertechnik und integrierte Sehaltungen am Faehbereieh Naehriehtentechnik der FH Dortmund. ISBN DOI / ISBN (ebook) 1. Auflage Januar 2002 Alle Rechte vorbehalten C Springer Fachmedien Wiesbaden 2002 Ursprunglich erschienin bei B.G. Teubner Gmbhm StuHgart/Leipzig/Wiesbaden, 2002 Der Verlag B. G. Teubner ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschotzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulăssig und strafbar. Das gilt insbesondere fur Vervielfăltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dorften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf săuretreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

4 Vorwort Es ist in den letzten Jahren zu beobachten, dass immer weniger Bücher zu den Themen Halbleiterphysik, Halbleiterbauelemente und Fertigung integrierter Schaltungen im deutschsprachigen Raum erscheinen. Dabei ist gerade in Deutschland ein überproportionales Wachstum der Halbleiter-Industrie (s. z.b. Dortmund, Dresden und Frankfurt 0.) und damit ein zunehmender Fachkräftemangel zu bemerken. Englisch ist in diesem Bereich die Umgangssprache, aber englische bzw. US-amerikanische Bücher sind meist nur schwer zu beschaffen oder entsprechend teuer. Darüberhinaus haben deutsche Studierende mit den fachlichen Herausforderungen genug zu tun und haben leider z.t. erhebliche Schwierigkeiten mit englischsprachiger Fachliteratur. Dieses Lehrbuch richtet sich an Studierende an Universitäten und Fachhochschulen im Haupt- oder Vertiefungsstudium, die einen Einstieg in die Technologie der integrierten CMOS-Schaltungen suchen oder entsprechendes Hintergrundwissen benötigen. Dabei soll eine Lücke zwischen Büchern zur Halbleiterphysik bzw. zu Halbleiterbauelementen einerseits und solchen zur Fertigung integrierter Schaltungen andererseits geschlossen werden. Der Stoff wird an Hand von zahlreichen Abbildungen illustriert und wann immer möglich mit ausführlichen durchgerechneten Beispielen erläutert. Aber auch Prozessingenieure aus der Halbleiterfertigung oder Schaltungsentwickler finden hier Zusammenhänge mit und aus dem jeweils anderen Bereich, so dass das Verständnis und die Zusammenarbeit für- und miteinander verbessert werden kann: Jahrelange Erfahrung aus der industriellen Praxis zeigt, dass Entwicklung und Fertigung meist sehr isoliert voneinander betrachtet werden. Die Entwurfsunterlagen (Designregeln und Simulationsparameter; s. Kapitel 10) bilden häufig die einzige Schnittstelle zwischen den beiden Bereichen und das ist zu wenig, um in komplexen Schaltungen alle kritischen Randbedingungen zu erfassen. In Problemfällen führt dies zum fruchtlosen Austausch von Vorwürfen vom schlechten Fertigungsprozess bis hin zum instabilen Schaltungsdesign und nicht zum problemorientierten Dialog. Dieses Lehrbuch fasst die Inhalte der Vorlesungen "Halbleitertechnologie"und "Entwurf integrierter Schaltungen", sowie Teile weiterer Lehrveranstaltungen an der Fachhochschule Dortmund und der Universität Dortmund zusammen. Es stellt nicht den Anspruch, den aktuellen Stand der Technik vollständig darzustellen. Vielmehr sollen hier die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen der zu Grunde liegenden Halbleiterphysik, den fertigungstechnischen Methoden zur Herstellung integrierter Schaltungen, den elektronischen Eigenschaften digitaler CMOS-Schaltungen und dem Entwurf bzw. der Entwicklung solcher

5 VI Vorwort Schaltungen dargestellt werden. Im ersten Kapitel wird über einen einfachen quantenmechanischen Ansatz die Bandstruktur von Festkörpern eingeführt. Auf dieser Grundlage werden die Unterschiede zwischen Isolatoren, Halbleitern und Leitern bzw. Metallen erläutert. Die Temperaturabhängigkeit der Elektronenverteilung in den Bändern führt direkt zur Definition des Quasiteilchens "Loch" als positivem Ladungsträger. Anschließend werden die für die Beschreibung des Ladungstransports notwendigen Zustands- bzw. Kontinuitätsgleichungen eingeführt. Das zweite Kapitel beschäftigt sich mit dem wichtigsten Halbleiterbauelement, dem pn Übergang bzw. der Diode. Auf der Basis der im ersten Kapitel besprochenen Gleichungen wird die shockley' sche Diodengleichung als Lösung der Kontinuitätsgleichung unter Berücksichtigung der Randbedingungen hergeleitet. Das dritte Kapitel widmet sich dem aktiven Bereich des MOS-Transistors, dem Kanalgebiet oder auch MOS-Kondensator. Aus der Betrachtung der Bandstruktur und einiger Grundgleichungen ergibt sich die Ladungsträgerdichte im Kanal des Transistors, der letztlich für den Stromfluss im Transistor zuständig ist, als Funktion der Gatespannung. Auf diesen Kenntnissen aufbauend, ist es relativ einfach, im nächsten Kapitel das einfachste Transistormodell abzuleiten. Dieses einfache Modell wird anschließend genauer betrachtet und um Effekte zweiter und dritter Ordnung ergänzt. Abgeschlossen wird dieses Kapitel mit der Beschreibung spezieller MOS-Strukturen, wie EPROM und EEPROM, Leistungs MOSFET und CCD. Kapitel 5 ist ganz der Fertigung von integrierten MOS-Schaltungen gewidmet. Dazu wird zunächst erläutert, wie MOS-Transistoren, die sich in einem gemeinsamen Halbleiter-Substrat befinden, voneinander isoliert werden. Es folgt die Beschreibung der wichtigsten Herstellungsschritte, wie Schichterzeugung und -Strukturierung, bevor ein einfacher CMOS Prozess in seinen Einzelheiten erläutert wird. Der Rest des Kapitels beschreibt Prozessergänzungen und -Erweiterungen, die notwendig sind um die heute üblichen Schaltungskomplexitäten realisieren zu können. Die folgenden Kapitel befassen sich ausschließlich mit der Schaltungstechnik integrierter MOS-Schaltungen und dem Entwurfsprozess für solche Schaltungen. Zunächst wird ausführlich das statische und dynamische Verhalten von Invertern betrachtet, bevor in Kapitel 7 Verstärker, Treiber und logische Gatter, und in Kapitel 8 Schaltungen zur Informationsspeicherung behandelt werden. Kapitel 9 befasst sich mit der Peripherie integrierter Schaltungen, die erstens den Informationsaustausch zwischen dem Chip und der Umwelt bewerkstelligt und zweitens die den Chip vor Störungen, insbesondere Überspannungen schützt. Bevor nun der Entwurfsprozess für eine komplexe logische Schaltung begonnen werden kann, müssen alle hierfür notwendigen Informationen zusammengetragen werden. Diese Informationen unterscheiden sich von Hersteller zu Hersteller und von Prozess zu Prozess. In Kapitel 10 ist zusammengetragen, welche prozessspezifischen Daten benötigt werden, welchen Einfluss sie auf das elektrische Verhalten der Schaltung haben können und wie sie gewonnen werden. Die Vielfalt und Komplexität der computer-gestützten Entwurfswerkzeuge, die heute für

6 Vorwort VII die Entwicklung von integrierten Schaltungen zur Verfügung stehen, sprengen den Rahmen dieses Buches bei weitem. Außerdem schreitet gerade auf diesem Gebiet die Entwicklung rasch voran, so dass Kapitel 11 nur eine Klassifizierung der verschiedenen Werkzeuge sowie eine Beschreibung der wichtigsten Funktionen und Möglichkeiten wiedergeben kann. Der Schwerpunkt liegt hierbei natürlich bei den Simulationsprogrammen und den grafischen Editoren. Das abschließende zwölfte Kapitel beschreibt die Methoden, den hochkomplexen Entwurfsprozess zu systematisieren und nach Möglichkeit zu vereinfachen. Die weit verbreiteten Methoden hierzu, der Gate Array Ansatz und der Standardzellen-Ansatz, arbeiten nach einem Baukastenprinzip, so dass sich der Schaltungsentwickler nicht mehr um alle Einzelheiten zu kümmern braucht. Mein Dank gilt der ELMOS Semiconductor AG in Dortmund für die Überlassung der Teststrukturen, von denen die wiedergegebenen Messungen stammen, sowie für einige Mikrofotografien und rasterelektronische Aufnahmen. Der Abteilung Forschung und Entwicklung der ELMOS AG, namentlich Frau Dr. Petra Rolfes-Gehrmann, Herrn Ralf Bornefeld, Herrn Andreas Gehrmann und Herrn Dr. Joachim Weyers danke ich für zahlreiche nützliche und kritische Anmerkungen. Dank auch an Herrn Wido Heinemann für die kritische Durchsicht großer Teile des Manuskriptes. Mein größter Dank aber gilt meiner Frau Sabine, die mir, nicht nur während der Arbeit an diesem Manuskript, mit viel Verständnis und noch mehr Geduld viele Dinge abgenommen hat, für die ich einfach keine Zeit mehr hatte. Dortmund, im November 2001 Thomas Giebel

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Halbleiter-Physik 1.1 Bandstrukturen. 1.2 Halbleiter und Isolatoren Das Löchermodell 1.3 Silizium Reines Silizium Dotiertes Silizium 1.4 Der gestörte Halbleiter Drift und Diffusion Generations- und Rekombinationsstatistik Zustandsgleichungen 1.5 Wichtige Formeln. 2 Inhomogene Halbleiter 2.1 Der pn-übergang pn-übergang mit Vorspannung Spannungs- und Stromcharakteristik der Diode 2.4 Wichtige Formeln Der MOS-Kondensator 3.1 Die Schwellenspannung Einfache Theorie des MOS-Kondensators Ergänzungen zur Theorie des MOS-Kondensators Austrittsarbeitsdifferenz Oxidladungen Oberflächenzustände Durchführung und Auswertung von C(U)-Messungen. 3.4 Wichtige Formeln MOS-Transistor 4.1 Das einfachste MOS-Transistormodell 4.2 Der PMOS-Transistor 4.3 Ergänzungen zum einfachen MOS-Modell

8 x Inhaltsverzeichnis Die Querfeldbeweglichkeitsreduktion Der Substrateffekt Die schwache Inversion Durchbruchseffekte Latchup Feinstruktureffekte Kurzkanaleffekt Hot-Electron-Effect. 4.5 Spezielle MOS-Strukturen Depletion-Transistoren Spannungsfeste MOS-Transistoren Programmier bare MOS-Transistoren Charge-Coupled-Device 4.6 Wichtige Formeln: emos-technologie 5.1 Einleitung Isolation. 5.2 Grundlegende Fertigungsschritte Fotolithographie Ionenimplantation Diffusion Schichterzeugung Schichtstrukturierung Reinigungsprozesse Halbleiter-Prozesse Ein hypothetischer CMOS-Prozess Prozessergänzungen..,... 6 Der Inverter 6.1 Last- und Schaltelemente, Grundfunktionen Inverter mit ohmscher Last Inverter mit Enhancement-Last Inverter mit Depletion-Last Der CMOS-Inverter Störfestigkeit Vergleich der Invertertypen 6.2 Dynamisches Verhalten von MOS-Invertern Entladung (Abfallzeit) Aufiadung über eine Depletion-Last (Anstiegszeit) Anstiegszeit des CMOS-Inverters Verstärker, Treiber und Gatter 7.1 Verstärker Treiberschaltungen

9 Inhal tsverzeichnis 7.3 Logische Gatter. 7.4 Komplex-Gatter 7.5 Dynamische Gatter. 8 Flip-Flops, RAM und ROM 8.1 Flip-Flops Speicher, RAM und ROM. 9 Ein- und Ausgangsschaltungen 9.1 Ausgangstreiber Eingangsschaltungen 10 Entwurfsunterlagen 10.1 Design-Regeln Elektrische Entwurfsunterlagen 10.3 Teststrukturen Entwurfswerkzeuge 11.1 Grafische Editoren 11.2 Simulatoren Prozesssimulatoren Devicesimulation Schaltungs-Simulatoren (analog) Digital-Simulatoren Hardware Beschreibungssprachen 11.3 Hilfsprogramme Plazierung und Verdrahtung Überprüfungsprogramme 12 Entwurfssystematik 12.1 Entwurfsstrategien Der Standardzellen-Entwurf Der Gate-Array-Entwurf. Literatur zur CMOS-Technologie Formelzeichen und Abkürzungen Physikalische Konstanten Index XI