2 Halbleitertechnologie, MOS-Transistoren

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1 2 Halbleitertechnologie, MOS-Transistoren Fertigung Ein aus der Schmelze erzeugter zylindrischer Einkristall wird in Scheiben zersägt. Wie bezeichnet man die Scheibe? Welcher Durchmesser ist heute üblich? Welcher Fertigungsschritt folgt unmittelbar nach dem Sägen? Zur Veranschaulichung der folgenden Schritte der Strukturübertragung wird Ihnen folgendes Schema vorgelegt. Wie nennt man das Objekt, das für die Übertragung des Strukturmusters sorgt? (siehe Pfeil) Strahlung Das Strukturmuster wird auf eine strahlungsempfindliche Schicht (Fotolack) übertragen. Folgende Aussage definiert die zwei üblichen Lacktypen: Bei positivem Fotolack wird die Löslichkeit des Fotolacks durch Strahlung erhöht, bei negativem erniedrigt. Der Fotolack unter dem lichtundurchlässigen Bereich soll frei gelegt werden. Welcher Typ von Lack wird verwendet? Der Zweck des Freilegens ist die nachfolgende Entfernung der Schicht, die in den freigelegten Bereichen direkt auf dem Substrat liegt. Welche Bezeichnung hat der chemische Vorgang? Entsprechend der Vorlesung wird der NMOS-Transistor als Fertigungsbeispiel genommen. Im folgenden Bild erkennt man, dass eine Lücke in der thick-oxide-schicht erzeugt wurde und darüber insgesamt eine zusätzliche Schicht erzeugt wurde - ein sehr wichtiger Schritt. Sie kennen die Funktion eines NMOS-Transistors. Aus welchem Stoff muss diese Schicht sein? Sagen Sie etwas zur Dicke. (Beschriftung des unbeschrifteten Pfeils) Markieren Sie die Bereiche für die spätere Dotierung und geben Sie den Typ der Dotierung an. (Der Zugang für die Diffusion ist noch versperrt.) Im Gate-Bereich wird eine besondere Schicht aufgebracht. Das ist hochdotiertes (damit hochleitfähiges) Polysilikon. Der dazu gehörende Fertigungsschritt wird übergangen. 1

2 Welche Eigenschaft muss das Polysilizium haben, damit folgender Fertigungsschritt ausgeführt werden kann? Das Endergebnis der darauf folgenden Fertigungsschritte ist folgendes: Ohne dass dies in der Vorlesung im Einzelnen dargestellt wurde, können Sie doch die Stoffbezeichnungen ergänzen, die an den Pfeilen fehlen. Welches isolierende Material wird zuerst aufgetragen und dann an den Stellen entfernt, wo leitfähiges Material aufgebracht werden soll? Welches leitfähige Material wird dann aufgebracht? (An den Pfeilen ergänzen) Die Technologie der Übertragung der Strukturmuster und die Fertigungsschritte zur Herausarbeitung der Muster sowie zum Aufbringen der Leiterbahnen garantieren einen bestimmten kleinsten Abstand zwischen den Rändern der Strukturmuster. Welche Bezeichnung wird dafür verwendet? Welche beiden typischen Fertigungsfehler sind beim Aufbringen der Leiterbahnen möglich, wenn diese Größe durch Ungenauigkeiten bei der Fertigung nicht eingehalten wird? Oben ist die physikalische Gate-Länge angegeben. Geben Sie den Wert für die Fertigungsprozesse an, die heute überwiegend in der Produktion eingesetzt werden? 2

3 Ein gefertigter Wafer wird Die nach Die elektrisch auf Funktionstüchtigkeit getestet. Im Folgenden sehen Sie das Schema eines Testers bzw. ein Beispiel für einen Kontakfeder-Ring und für eine Kontaktfeder. Die extrem dünnen Kontaktfedern sind entlang des inneren Quadrats angeordnet und parallel ausgerichtet und stellen während des Tests die elektrischen Verbindungen zum Die her. Man nennt einen solches kontaktierendes Element einen Adapter. Er passt immer nur zu dem IC- Typ, für den er gebaut wurde. Wie werden die Kontaktflächen auf dem Die im Englischen genannt? Für den Tester sind diese Kontaktflächen die Schnittstelle zum Testobjekt (device under test). Er hat an dieser Schnittstelle eine aktive und eine passive Aufgabe. Erläutern Sie das Die Kontaktflächen sind bei der nachfolgenden Fertigung des ICs wichtig für die Herstellung der elektrischen Verbindungen nach außen. Warum? Der Begriff Risiko wird mathematisch als bedingte Wahrscheinlichkeit definiert. Ausfallrisiko bedeutet in diesem Sinne: die Wahrscheinlichkeit, dass ein Bauelement in einem bestimmten Zeitintervall (t,t+ t) ausfällt, wenn es bis t intakt ist. Sie sollen die charakteristische Kurve des Ausfallrisikos über der Zeit angeben. Bezeichnen Sie pauschal die charakteristischen Zeitabschnitte. 3

4 Welche Fertigungsdefekte verursachen vor allem die Ausfälle in der frühen Betriebszeit? Durch welchen Prozess kann man die ICs vor Auslieferung der ICs heraussieben, in denen diese Ausfallursachen latent vorhanden sind? (ausformulierter Satz) Was bedeuten die Abkürzungen PGA, BGA, LGA, geben Sie an, ob sie steckbar, aufsetzbar oder verlötbar sind, und geben Sie je einen charakteristischen IC an? Transistoren Bei NMOS-Transistoren heißt der Source-Pol deswegen so, weil er negative Ladungen liefert, und der Drain-Pol heißt so, weil er negative Ladungen aufnimmt. Die Spannungsversorgung liefert das Bezugspotential und die positive Spannung V+ (offiziell Vdd genannt, +3,3 V; Tendenz zu kleineren Spannungen für die Zukunft = weniger Verbrauch). Geben Sie im folgenden Bild zunächst die beiden Pol-Bezeichnungen an und ordnen Sie diesen richtig die Pole der Spannungsquelle zu. Ergänzen Sie dann die Symbole für die Spannungsquelle und für das andere wichtige Element, so dass ein Stromkreis gebildet wird, der zu den vorher angegebenen Spannungen passt. 4

5 Was würde es für die Transistor-Funktion bedeuten, wenn Sie die Pole vertauschen würden und den Stromkreis entsprechend anpassen würden? Welchen Pol der Spannungsquelle legt man an das Substrat? Angenommen, man nimmt den negativen Pol einer Spannungsquelle als Bezugspotential (=Masse). Bedeutet das, dass der Pol damit als neutral zählt, d.h. dort kein Überschuss an negativen Ladungsträgern mehr herrscht? (Satz mit Begründung) Nun soll durch den Strompfad zwischen Source und Drain tatsächlich ein Strom fließen. Ergänzen Sie in folgendem Bild zuerst die Symbole für die Elemente des geschlossenen Stromkreises über Source und Drain. Ergänzen Sie dann die Verbindungen zwischen Spannungsquelle und den notwendigen Anschlusspunkten, so dass ein Steuerstromkreis entsteht, der den Strom zwischen Source und Drain möglich macht. Beschreiben Sie, was physikalisch geschieht, um den Strom zu ermöglichen. Unterstützen Sie das mit Hilfe der Skizze. 5

6 Die Spannung V+ soll mit High bezeichnet werden, und die Spannung 0 V mit Low. In der Transistor-Schaltung, die bisher als Beispiel genommen wurde, wirkt die Gate-Spannung als die steuernde Größe (Eingangsgröße) und die Drain-Spannung als gesteuerte Größe (Ausgangsgröße). Das Schaltbild (ohne besondere Kennzeichnung von NMOS) ist: V+ Achtung: In Schaltplänen der Elektrotechnik bedeuten Linien üblicherweise Leiter. Wenn sich Linien kreuzen, muss man eindeutig machen, ob im Kreuzungspunkt eine leitende Verbindung ist oder nicht. Eine leitende Verbindung wird durch einen deutlichen Punkt gekennzeichnet. Ohne Punkt besteht keine leitende Verbindung. Bezeichnen Sie oben die offenen Linien-Enden gemäß ihrer Funktion. Füllen Sie folgende Tabelle aus, die jedem möglichen Schaltwert der Eingangsgröße den eindeutigen Schaltwert der Ausgangsgröße zuordnet. Eingangsgröße Ausgangsgröße Welche Funktion hat die Schaltung? Sie haben in der Vorlesung folgende Schaltung kennen gelernt. Hier wird der Schaltplan so angegeben, dass man erkennt, was Ein- bzw. Ausgangsgrößen der Elementar-Schaltungen sind und wie diese rückgekoppelt werden (Ausgang auf Eingang). V+ V+ High Geben Sie die Kausalkette an, die bestätigt, dass High stabil bleibt. High bewirkt, dass.. das bewirkt, dass.. das bewirkt, dass.. 6

7 V+ V+ Low Geben Sie die Kausalkette an, die bestätigt, dass Low stabil bleibt. Low bewirkt, dass.. das bewirkt, dass.. das bewirkt, dass.. Ein NMOS-Transistor kann auch einfach als Schalter verwendet werden, der einen Strompfad durchschaltet oder nicht. 0 V offen V+ geschlossen Sie wollen den Schaltzustand der rückgekoppelten Schaltung entweder von außen bestimmen oder ihn so, wie er ist, nach außen übernehmen (Spannung von der Schaltung bestimmt). Ergänzen Sie die Schaltung so einfach wie möglich. V+ V+ Der PMOS-Transistor wurde in der Vorlesung nicht besprochen. Hier kann er aber für Übungszwecke dienen. Im Vergleich zum NMOS-Transistor gilt: anstelle eines Kanals für negative Ladungsträger wird ein Kanal für positive Ladungsträger, also Löcher, gebildet. (Das + ist hier kein Symbol für die Polarität, sondern für die Dotierung: Si + Dotierungsatome.) Angenommen, man legt an das Substrat die Spannung V+. Welche Spannung am Gate erzeugt einen Kanal von positiven Ladungsträgern? (mit Begründung) 7

8 Angenommen, man legt an das Substrat die Spannung V+. Welche Spannung am Gate sorgt dafür, dass die negativen Ladungsträger im Kanal wieder die deutliche Mehrheit haben und damit kein Strom von positiven Ladungsträgern zwischen Source und Drain möglich ist. Beim PMOS-Transistor liefert der Source-Pol positive Ladungsträger und der Drain-Pol nimmt sie auf. Gegeben ist folgende Schaltung (Source- und Drain-Pol müssen nicht wie oben liegen): Geben Sie in der Schaltung an, wo Source bzw. Drain liegen. Source und Substrat haben das gleiche Potential (das gilt genauso beim NMOS-Transistor). Ergänzen Sie in der Schaltung die entsprechende Verbindung. Die Gate-Spannung ist die Eingangsgröße. Welche Spannung ist die Ausgangsgröße? In der Schaltung mit Pfeil markieren und entsprechend bezeichnen. Füllen Sie folgende Tabelle aus, die jedem möglichen Schaltwert der Eingangsgröße den eindeutigen Schaltwert der Ausgangsgröße zuordnet. Eingangsgröße Ausgangsgröße High = V+ Low = 0 V Das richtige Ergebnis ergibt die inverse Funktion zum NMOS-Transistor. Eine inverse Funktion kennzeichnet man in der Schaltsymbolik durch einen Kreis. Das Symbol rechts bedeutet einen PMOS-Transistor: Es gibt aber noch folgende alternative Darstellung: 8

9 Ergänzung: CMOS (complementary MOS): (nur für physikalisch Interessierte, kein Prüfungsstoff) Es wird Ihnen folgende Schaltung vorgelegt: Füllen Sie folgende Tabelle aus und geben Sie neben der Schaltung die Funktion an. In Schaltzustand Transistor oben Schaltzustand Transistor unten Out High = V+ Low = 0 V P-MOS-Transistoren kann man in ein p-dotiertes Substrat für NMOS-Transistoren einbetten, indem man zuerst eine n-dotierte Wanne in die Substrat-Oberfläche eindotiert, in die man den PMOS-Transistor wie oben strukturiert. Beschriften Sie alle Leiter mit der Funktion gemäß der Schaltung oben (insgesamt 4 Spannungsangaben). Nun interessiert Sie vielleicht, wie Source von NMOS mit dem Substrat und Source von PMOS mit der N-Wanne verbunden wird. So: 9

10 Ergänzung: Bipolare Transistoren (nur für physikalisch Interessierte, kein Prüfungsstoff) Die Idee: Mit einem kleinen Steuerstrom proportional einen großen Strom in einem zweiten Stromkreis verändern. Eine planare Realisierung: Eine n-dotierte Wanne wird in eine p-dotierte Wanne eindiffundiert. Wenn man an die p-dotierte Zone eine positivere Spannung legt als an die n-dotierte (genauer: > 0,7V), werden zwei Ströme von Ladungsträgern angeregt: ein Strom von positiven Ladungsträgern, die im p-dotierten Bereich in der Mehrheit sind, von p-dotiert nach n-dotiert (physikalisch fließen natürlich gleich viele Elektronen in der Gegenrichtung; da ihre Zahl wird aber von der p-dotierung bestimmt wird, gibt man den Strom der positiven Ladungsträger an), und ein Strom von negativen Ladungsträgern, die im n-dotierten Bereich in der Mehrheit sind, von n-dotiert nach p-dotiert. Der entscheidende Effekt: Eine kleine zugeführte positive Ladungsmenge pro Zeiteinheit verdrängt eine große negative Ladungsmenge pro Zeiteinheit. Grund: das Konzentrationsgleichgewicht (Massengleichgewicht) muss erhalten bleiben. Die wichtige ergänzende Maßnahme ist nun, den Strom der negativen Ladungsträger so vollständig wie möglich in einen zweiten Stromkreis umzuleiten. Dazu prägt man die beiden strombestimmenden Wannen in eine n-dotierte Gesamt-Wanne ein und legt eine positive Spannung von der ergänzten n-dotierten Zone zur ursprünglichen n- dotierten Zone. Eine dünne und geschickte Formung der p-dotierten Schicht bewirkt, dass der Strom der negativen Ladungsträger aus der ursprünglichen n-dotierten Zone nicht zum positiven Pol der p-zone abfließt, sondern zum positiven Pol des ergänzten Stromkreises. Die Zone, in der man den Strom der positiven Ladungsträger beeinflusst, wird Basis genannt. Die Zone, die den dadurch veränderlichen Strom der negativen Ladungsträger liefert, wird Emitter genannt. Die Zone, die dafür sorgt, dass der Strom der negativen Ladungsträger möglichst vollständig im ergänzten Stromkreis fließt, wird Kollektor genannt. Es ergibt sich die Funktion eines Transistors, in der Form eines npn-transistors. Seine Funktion als Schalter: U CC konstant und ausreichend. Wenn U BB so klein ist, dass kein Basisstrom fließt, fließt auch kein Emitterstrom und damit kein Kollektorstrom. Wenn U BB so groß ist, dass genügend Basisstrom fließt, dann fließt auch ein großer Emitter- und damit ein großer Kollektorstrom. Weil an der Transistorfunktion sowohl ein Strom positiver Ladungsträger als auch ein Strom negativer Ladungsträger beteiligt ist, wird er bipolar genannt. 10

11 Üblicherweise vereinfacht man die symbolische Darstellung der Spannungen und man gibt dazu die Stromrichtung der positiven Ladungsträger an. Das gleichwertige symbolische Schaltbild ist: +U CC U BB Beschriften Sie die Pole des Transistors im Schaltbild. Welche Funktion hat die Schaltung? Was würde passieren, wenn kein Widerstand im Basisstromkreis wäre. Angenommen, man schaltet an den Kollektor einen Widerstand R L gegen Masse, der Widerstand gegen U CC sei R C und der Transistor sperrt. Welche Spannung gegen Masse wird an R L erzeugt. 11