Siliziumreinheit und Dichte elektronischer Merkmale [geschlossen]

Während der Entwicklung einer integrierten Schaltung ist meines Wissens eine Siliziumreinheit von 99,99999999 % erforderlich.

War das schon immer so? Hatte 1971 der erste kommerziell erhältliche Mikroprozessor (Intel 4004, 10-Mikron-Prozess) diesen Reinheitsgrad erreicht?

Wie hat sich die Reinheit von Silizium für elektronische Zwecke erhöht, wenn die Strukturgröße (Breite der Gate-Elektrode) abnimmt?

Ich habe mehrere Tage im Internet gesucht, mit wenig Erfolg. Ich kenne Silizium-Reinigungsprozesse und suche wirklich nur nach einem endgültigen Datensatz zur Erhöhung der Reinheit während der Merkmalsreduzierung. wenn überhaupt?

9,99999999 % oder 99,9999999 %. Ich hoffe sehr, dass das ein Tippfehler ist
Das ist Silizium von geringer Reinheit;)
Das Quad-NAND-Gatter 7400N war das erste Produkt der Serie, das von Texas Instruments im Oktober 1964 in einem flachen Metallgehäuse in Militärqualität eingeführt wurde. Das äußerst beliebte Kunststoff-DIP in Handelsqualität folgte im dritten Quartal 1966.
Mikroprozessor Entschuldigung, zuerst im Handel erhältlich, aber nicht in Gebrauch.
Sie (versuchen) Altes (große Merkmale, unrein) mit Neuem (kleine Merkmale, sehr rein) zu verknüpfen, aber denken Sie darüber nach, was Sie eigentlich brauchen? Für einen modernen SOI-Prozess ist möglicherweise nicht einmal eine hohe Reinheit des Wafers erforderlich, da die Komponenten auf einer isolierten Schicht aus SiO2 sitzen. Ohne SOI definiert die niedrigste Dotierung, die Sie vornehmen möchten, zuverlässig den Grad der Siliziumreinheit, den Sie benötigen. Für Geräte und Prozesse mit sehr geringer Leckage/Hochspannung benötigen Sie möglicherweise sehr flache Dotierungsniveaus. Für die höchste Geschwindigkeit wahrscheinlich nicht.
Warum gibt es knappe Abstimmungen mit „unklar“ als Begründung? Diese Frage ist ganz klar.
Warum sollten Sie reines Silizium verwenden? Weil Verunreinigungen Defekte verursachen, Widerstand und andere Probleme hinzufügen. Ja, die Reinheit hat zugenommen, weil Verunreinigungen Defekte erzeugen und je kleiner Sie Gates machen, desto weniger tolerierbar sind sie für Defekte.
Kleinere Merkmale erfordern reineres Silizium, da die Merkmalsgröße kleiner wird und die Auswirkungen von Defekten größer werden. Umgekehrt, wenn Sie größere Funktionen haben, ist ein einzelner Defekt weniger ein Problem, da er weniger vom Gerät ausmacht.

Antworten (1)

Das ist eine überraschend komplizierte Frage.

Das Entscheidende für handelsübliche Mikroprozessoren sind also zunächst einmal zuverlässige, wohldefinierte Transistoren und Dioden auf Basis von pn-Übergängen.

Zuverlässig impliziert, dass sich ein Halbleiterübergang unter keinen Umständen wie ein Metall verhalten sollte. Das machen aber alle Halbleiter, sobald man sie zu stark dotiert.

Dies impliziert, dass Sie für kommerzielle Halbleiterbauelemente sogenannte leicht dotierte Halbleiter benötigen. Offensichtlich möchten Sie, dass die Dotierungsatome die dominierenden Nicht-Siliziumatome sind - also muss jede andere Art von Atom, damit sie für die beteiligten Bänder nicht wirklich unbedeutend ist, mindestens zwei oder drei Größenordnungen seltener sein.

Was ist also ein leicht dotierter Halbleiter? Die Definitionen sind unterschiedlich, aber die Erkenntnis ist, dass der Halbleiter nicht entartet sein darf

E C − μ ≫ k B T μ − E v ≫ k B T
halten muss.

Hier, E C Und E v sind die Energien in den Leitungs- und Valenzbändern, die jeweils für einen gegebenen Halbleiter festgelegt sind. μ jedoch ist das sogenannte Fermi-Niveau , das das Niveau des "Belegungswahrscheinlichkeitsgleichgewichts" ist. Mit anderen Worten, bei Raumtemperatur befindet sich ein Elektron mit hoher Wahrscheinlichkeit (50 %) auf diesem Energieniveau. Was die obigen Ungleichungen verlangen, ist, dass der Abstand von dieser Ebene zu den Bandkanten groß genug ist, um zu vermeiden, dass Ladungen plötzlich spontan fließen.

μ hängt von der Dotierung ab, da sie von der Anzahl der Ladungsträger abhängt. Nun, ich bin kein Experte für die Halbleiterproduktion an sich, aber ich würde das bei typischer Dotierung im Bereich von vermuten 10 − 15 cm − 3 , und der molaren Masse von Silizium, kann man schon weit genug kommen, um sich ein Bild davon zu machen, was für rein siliziumbasierte Bijunction-Transistoren technisch notwendig ist. Fügen Sie dann etwas Sicherheitsmarge hinzu – Strukturen sind sehr klein, also könnte ein Cluster von sagen wir 3 unerwünschten Atomen schon ziemlich viel sein, also muss die Wahrscheinlichkeit dafür ausreichend unter Ihrem akzeptablen Ertrag unterdrückt werden. Es läuft auf einen Kompromiss zwischen Größe/Kosten/Zuverlässigkeit/Ertrag hinaus, und es kann keine allgemeine Antwort gegeben werden.

Diese Berechnungen basieren nun auf der Annahme, dass wir auf einem Siliziumwafer mit dem „natürlichen“ Siliziumgitter arbeiten – und in Wirklichkeit basieren moderne ICs auf SOI – Silizium, das auf einen Isolator (typischerweise SiO 2 ) gespannt ist . Es ist sehr schwer, in diesem Zusammenhang tatsächlich über Reinheit zu sprechen.

Siliziumreinheit und Dichte elektronischer Merkmale [geschlossen]
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