Wat is CMOS technologie?

De consumentenelektronica, lucht- en ruimtevaart, en tal van andere gebieden hebben een hoge vlucht genomen, omdat de ingebouwde chips een steeds grotere reken- en geheugencapaciteit bezitten. Dankzij verbeteringen in het productieproces is men in staat om per twee jaar het aantal transistoren dat in een chip (ic) past, te verdubbelen. Het mereneel van de huidige chips gebruikt de CMOS technologie. Dit artikel legt uit hoe een chip met CMOS technologie gebouwd wordt.

CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) is de technologie waarmee het overgrote deel van de huidige chips gemaakt wordt. De term 'complementary' slaat op het feit dat er twee smaken transistoren worden gebruikt. Een transistor is een piepklein schakelaartje dat nodig is om logische schakelingen te bouwen. De PMOS transistor schakelt wanneer er een lage spanning aan de de basis wordt aangeboden (logische 'nul'), terwijl de NMOS transistor schakelt bij een hoge spanning (logische 'een'). CMOS gebruikt zowel PMOS als NMOS.

Metal Oxide Semiconductor staat voor het feit dat een transistor een halfgeleider (semiconductor) is. Het geleidt de elektrische stroom alleen onder bepaalde voorwaarden. Een MOS transistor heeft drie aansluitingen: de gate, de source, en de drain. Vroeger werd een gate gemaakt van geoxideerd metaal (Metal Oxide); tegenwoordig is het materiaal waarvan de gate gemaakt is polysilicium.

Transistor opbouw

Transistoren worden gemaakt van silicium, een soort zandachtig materiaal met halfgeleidende eigenschappen. De werking en funcionaliteit van een transistor laten we verder buiten beschouwing. Om een transistor van het type PMOS of NMOS te maken dient allereerst het gebied silicium waar de transistor geplaatst gaat worden gedoteerd te worden. Men kan door deeltjes te injecteren zo'n gebiedje een tekort of overschot aan elektronen geven. Vervolgens plaatst men de gate-aansluiting boven dit gebiedje. Een gate is gemaakt van polysilicium, een ander soort halfgeleidend materiaal. Daarna plaatst men een stukje metaal op de beide uiteinden van de transistor; dit zijn de drain- en source-aansluitingen. Vervolgens komt er een laag isolerend materiaal (SiO2) over alle transistoren, maar de aansluitingen laat men intact.

Op de afbeelding hiernaast is de layout van een transistor te zien. De transistor is afgebeeld door dwarsdoorsnede. Het oranje gebied is het gedoteerde silicium. Het rode balkje is de gate-aansluiting van polysilicium. De zwarte vlakken stellen de metalen aansluitingen voor. De dwarsdoorsnede laat zien hoe twee transistoren worden verbonden met elkaar: de grote blauwe balk stelt een verbinding voor in een metaal-laag, het witte vlak is het isolerende SiO2. Een gate kan men ook aansluiten op een metaal laag.

Een CMOS chip of IC is in feite een gigantisch complexe schakeling waarin miljoenen of zelf een miljard PMOS en NMOS transistoren in een bepaalde configuratie aan een elkaar gekoppeld zijn. Alle tussenverbindingen maakt men van metaal; afhankelijk van de geleidende eigenschappen fabriceert men deze uit aluminium of koper. Vanwege de complexiteit heeft men verschillende metaal-lagen nodig, die onderling van elkaar geïsoleerd zijn door SiO2. Dit is te vergelijken met een printplaat, die vaak zowel aan de onderkant als de bovenkant de metaal-verbindigen bevat. In een chip gebruikt men echter niet twee lagen, maar een veelvoud daarvan; het aantal lagen -metal layers- kan oplopen tot twaalf. Om twee verschillende lagen met elkaar te kunnen verbinden gebruikt men een een zogenaamde via, een verticale metalen geleider die dwars door een stukje isolatie heengaat.

Technologie of process

De technologie waarin CMOS gebouwd wordt, noemt men ook wel process. Met de process-naam wordt de breedte van een gate-aansluiting aangeduid. Een 90 nm process zal bijvoorbeeld transistoren bevatten met een gate van 90 nanometer(10^-9 meter) breed. Hoe kleiner het process, hoe smaller de gate- en metaalsporen zullen zijn,en hoe meer metal layers er gebruikt zullen worden.

Het belangrijste om te begrijpen is dat een chip laag voor laag, proces-stap na proces-stap, wordt opgebouwd. Men begint zoals boven vermeld met de transistoren.

Om alle structuren te kunnen schrijven in silicium, gebruikt men de lithografie techniek. Voor elke laag die moet worden bewerkt heeft men een layout (of masker), waarop alle structuurtjes zijn aangegeven. Door middel van fotografie en etsen kan men de structuurtjes fysiek verwezenlijken. Men doorloopt telkens een aantal stappen:

• materiaal aanbrengen
• fotoresist aanbrengen
• fotograferen
• niet gebruikte gedeelten weg-etsen

Dit proces doorloopt men om transistoren te bouwen, metaal-structuren aan te brengen, en isolerende lagen aan te brengen. De dwarsdoorsnede hiernaast laat zien hoe een process van onder tot boven eruit ziet. Helemaal onderin liggen de transistoren. Daarbovenop komen een aantal lagen (afhankelijk van het process) metaal en isolerend materiaal. De oranje vlakken stellen koper (CU) verbindingen voor.

Is men aanbeland in de top metaal-laag, dan worden de connecties van de chip met de buitenwereld gerealiseerd. Via gouden draadjes maakt men verbindingen naar de pootjes van de chip (bonding). Ook wordt er een beschermende top-laag aangebracht. De chip kan nu in de behuizing worden geplaatst; dit wordt ook wel packaging genoemd.