Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы технологии электронной компонентной базы. Практикум
.pdf
№ 2551
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра полупроводниковой электроники и физики
полупроводников
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
В.П. Астахов
С.А. Леготин
К.А. Кузьмина
Основы технологии электронной
компонентной базы
Практикум
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2016
УДК 621.38
А91
Рецензент
канд. физ.-мат. наук, доц. О.И. Рабинович
Астахов В.П.
А91 Основы технологии электронной компонентной базы : прак-
тикум / В.П. Астахов, С.А. Леготин, К.А. Кузьмина. – М. : Изд.
Дом МИСиС, 2016. – 53 с.
ISBN 978-5-87623-964-8
Содержит описание трех практических занятий, в которых изучаются такие процессы создания приборных структур наноэлектроники, как термическое окисление, диффузия и ионная имплантация. Ставит перед собой задачи
объяснить физическую сущность используемых в микро- и наноэлектронике
технологических процессов, научить комплексному научному подходу к выбору методов и процессов формирования электронной компонентной базы, а
также освоить методики расчета параметров технологических процессов. Результатом обучения должно быть приобретение компетенций по основным
базовым процессам технологии для применения их в научных исследованиях, разработке и производстве изделий микро- и наноэлектроники.
Практикум является составной частью курса «Основы технологии электронной компонентной базы» для студентов, обучающихся по направлению
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».
ISBN 978-5-87623-964-8
2
УДК 621.38
В.П. Астахов,
©
С.А. Леготин,
К.А. Кузьмина, 2016
НИТУ «МИСиС», 2016
©
СОДЕРЖАНИЕ
Введение....................................................................................................4
1. Расчет режимов термического окисления и диффузии при
проектировании p
+
–n-переходов фотодиодов на кремнии ...................5
2. Расчет режимов термического окисления, диффузии
и профилей распределения примесных атомов при изготовлении
транзистора .............................................................................................18
3. Расчет режимов ионной имплантации и результирующего
профиля примесных атомов при изготовлении транзистора .............37
Библиографический список...................................................................52
3
Введение
Основой диодов и транзисторов являются приборные структуры,
сформированные в полупроводниковом кристалле и представляющие
собой чередующиеся слои с противоположным типом проводимости.
У фотодиодов таких слоев два, у транзисторов – три, у тиристоров –
четыре, у симисторов – пять. Одним из слоев чаще всего является
исходный кристалл.
К числу самых распространенных методов формирования фоточувствительных структур относятся диффузия и ионная имплантация. Дополнительным, но необходимым методом в случае планарных
приборных структур на кремнии является также термическое окисление, при котором формируется пленка SiO
, являющаяся маской
2
при локальной диффузии, а также защитной и пассивирующей поверхностью в области планарных границ p–n-переходов.
Наиболее распространенным типом чувствительных структур
являются транзисторы со структурой n
+
–p–n или p+–n–p-типа. На
технологии таких структур базируются технологии остальных
приборов. При этом в большинстве случаев основной является
структура n
Независимо от топологии маршрут изготовления n
+
–p–n-типа.
+
–p–n транзисто-
ра одинаков: сначала создается область базы и при этом формируется
коллекторный p–n-переход, который является p–n-переходом между
базой и коллектором, а затем – область эмиттера, при этом формируется эмиттерный p–n-переход, который является p–n-переходом между
эмиттером и базой.
Области базы и эмиттера и соответственно коллекторный и эмиттерный p–n-переходы могут создаваться методами диффузии или
ионной имплантации. Диффузией создаются более глубокие, а ионной имплантацией – более мелкие p–n переходы. Поэтому имплантационные транзисторы имеют тонкую базу, что обеспечивает возможность их работы при больших частотах по сравнению с диффузионными аналогами.
Формирование базовой и эмиттерной областей осуществляется за
счет локальной диффузии или ионной имплантации, при которых маской, формирующей площадь легированных областей, является оксидная
пленка, выращенная предварительным окислением в атмосфере кислорода – сначала сухого, затем влажного, затем опять сухого.
4
1. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОГО
x
x
ОКИСЛЕНИЯ И ДИФФУЗИИ ПРИ
ПРОЕКТИРОВАНИИ p
+
–n-ПЕРЕХОДОВ
ФОТОДИОДОВ НА КРЕМНИИ
1.1. Теоретическое введение
Диффузия относится к числу самых распространенных технологических методов формирования кремниевых приборных структур. В
случае планарных структур дополнительной, но необходимой технологической операцией является термическое окисление, при котором
формируется пленка оксида кремния SiO
, являющаяся маской при
2
локальной диффузии, а также защитной и пассивирующей поверхностью в области планарных границ p–n-переходов.
1. Окисление проводится на первом этапе формирования планарных приборных структур с чередованием условий окисления: сначала в сухом кислороде, затем во влажном, затем опять в сухом. Такая
последовательность позволяет обеспечить быстрый рост пленки (во
влажном кислороде) и ее высокое качество (в сухом кислороде).
Для сухого кислорода толщина оксидной пленки d
(мкм) зависит
ок
от времени и температуры:
1,33
21,2
−
kT
, (1.1)
2
dte
=
ок
для влажного кислорода эта зависимость имеет вид
0,8
7, 26
−
kT
, (1.2)
–5
эВ·К–1.
2
dte
=
ок
где t – время, мин;
k – постоянная Больцмана, равная 8,07·10
2. Профиль распределения примеси обусловлен особенностями
процесса диффузии, выражаемыми законами Фика:
1-й закон:
jD
=−
∂
,
N
∂
NN
2-й закон:
где j – плотность потока примесных атомов, мкА/см
D – коэффициент диффузии, см
∂∂
=−
t
∂
2
/с;
N – концентрация диффундирующих атомов, см
2
D
,
2
∂
2
;
–3
;
5
x – пространственная координата вглубь кристалла в точке х.
x
D
Решение 2-го уравнения Фика позволяет получить профиль кон-
центрации примесных атомов.
Решение выполнено для двух случаев:
1) при неограниченном источнике примеси, когда поверхностная
концентрация примесных атомов N
= const (такой случай реализует-
0
ся в процессе, который называется «загонка»);
2) при ограниченном источнике примеси, когда N
мени N
(t) и обеспечивается только атомами, введенными при загон-
0
зависит от вре-
0
ке (такой случай реализуется в процессе, который называется «разгонка»).
При загонке профиль концентрации вводимых в кристалл атомов
описывается выражением
Nx N
= erfc , (1.3)
()
0
Dt
2
где символом erfc обозначается дополнение функции ошибок
erf (erfc =1 – erf).
При этом доза легирования Q (см
атомов, введенных в кристалл через площадку в 1 см
–2
), т.е. количество примесных
2
,
1,13QNDt= . (1.4)
0
При разгонке поверхностная концентрация со временем не явля-
ется постоянной величиной, а уменьшается по формуле
Nt
()
0
Q
. (1.4a)
t=π
После разгонки профиль примесных атомов имеет следующий
вид:
22
xx
⎛⎞ ⎛⎞
−−
⎜⎟ ⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠
22
==
NNte e
()
0
Dt Dt
Q
π
Dt
. (1.5)
Как видно из уравнений (1.3) и (1.5), глубина проникновения
примесных атомов в кристалл при загонке и разгонке определяется
фактором Dt, т.е. длительностью процесса t и температурой, поскольку коэффициент диффузии D имеет сильную экспоненциальную температурную зависимость:
6
E
Δ
E
D
a
−
DDe
=
kT
0
, (1.6)
где
– энергия активации диффузии.
Δ
a
На практике проводится сначала загонка, а потом разгонка при-
месных атомов. При этом следует иметь в виду, что при многоэтапном (п этапов) процессе диффузии, когда проводится последовательная загонка и разгонка нескольких видов примесных атомов, примесь, введенная на первых этапах диффузионных процессов, продолжает разгоняться на следующих этапах. Это учитывается суммированием факторов D
примеси на всех n этапах
, которые характерны для рассматриваемой
iti
n
⎛⎞
t
⎜⎟
∑
1
⎝⎠
, и эта величина определяет ре-
ii
зультирующий профиль распределения данной примеси.
Полученный расчетами профиль распределения примеси позво-
ляет определить глубину залегания p–n-перехода. При этом глубина
р–п-перехода (d
) определяется как координата точки пересечения
p–n
профиля диффундирующей примеси (например, атомов бора в случае формирования p–n-перехода на пластине кремния n-типа проводимости с профилем примесных атомов фосфора, имеющихся в
исходном кристалле – N
). При этом р–n-переход формируется в
исх
результате двухэтапного процесса: сначала загонки, а затем разгонки примесных атомов.
1.2. Задание
1. Определить режимы окисления, загонки и разгонки примеси бора при формировании планарного р
для которого заданы следующие параметры:
– глубина залегания р
+
–n-перехода (d
– поверхностная концентрация бора (
– концентрация примеси фосфора в исходном кремнии (
– толщина оксида для маскирования (d
+
–п-перехода на кремнии п-типа,
);
p+–n
B
);
N
0
P
);
N
исх
).
ок
2. Рассчитать и построить профиль распределения примесных
атомов, пользуясь данными табл. 1.1 и 1.2.
7
Таблица 1.1
N
N
Коэффициенты диффузии D атомов бора для различных температур
Температура, °С Коэффициент диффузии, см2/ с
1000 10
1050 5·10
1100 10
1150 3·10
1200 10
–14
–13
–12
–14
–13
Примечание. Значения коэффициентов диффузии при промежуточных температурах могут быть определены в первом приближении линейной аппроксимацией на
ближайшем температурном участке.
Таблица 1.2
Предельные растворимости атомов бора в кремнии
для различных температур
Температура,°С Предельная растворимость, см–3
800 8·1016
900 1,2·1018
1000 1019
1050 6·1019
Варианты заданий приведены в табл. 1.3.
Таблица 1.3
Варианты заданий
Параметр
d
, мкм
p+–n
B
, см–3
0
P
, см–3
исх
I II III IV V
2,0 2,5 3,0 3,5 4
1018 1,5·1018 2,0·1018 2,5·1018 3·1018
5·1014 5·1014 5·1014 3·1014 2·1014
doк, мкм 0,5 0,5 0,55 0,55 0,6
Вариант
1.3. Методические указания
Алгоритм выполнения задания сводится к следующему.
1. Определить режимы: температуру и длительность процесса
окисления, обеспечивающего заданную толщину оксидной пленки.
При этом считать, что процесс трехстадийный: 1 – окисление в сухом
кислороде, 2 – окисление во влажном кислороде, 3 – окисление в сухом кислороде, но все три стадии проводятся при одной и той же
температуре. Определить температуру и длительность всех трех ста-
8
дий, считая, что на каждой стадии сухого окисления толщина обра-
D
p
p
зующейся оксидной пленки должна быть одинаковой и составлять
примерно 15 % от заданной толщины маскирующей пленки. Таким
образом, за две стадии сухого окисления толщина оксидной пленки
составляет ~ 30 %, а за одну стадию влажного окисления — 70% от
заданной толщины. Используя выражения (1.1) для сухого и (1.2) для
влажного окисления, подбирают температуру так, чтобы для определенных на предыдущем этапе толщин оксида, формируемых при сухом и влажном окислениях, длительность окисления в сухом кислороде на каждой стадии была в пределах 10...30 мин, а во влажном
кислороде – 1...4 ч. Подбор следует начинать с температуры 1150 °С,
обычно используемой на практике.
2. Вычислить эффективный фактор D'
, определяющий ре-
pBt'pB
зультирующий профиль распределения примеси бора после разгонки. Фактор D'
определяют следующим образом. Рассматривают
pBt'pВ
этап разгонки бора на основе выражения (1.5) для двух значений х:
х
= 0 и х2 = d
1
. При x1 = 0 выражение (1.5) приобретает вид
p–n
а при x
где Q
D'
B
NN
==
0
= d
2
– доза примеси бора;
В
pB
p–n
Q
=
Ne
исх
B
π
Dt
''
pB pB
и t'pB – эффективные коэффициент диффузии примеси бора и
π
Q
''
−
, (1.7)
t
BpB
⎛⎞
d
pn
−
⎜⎟
⎜⎟
Dt
2''
pB pB
⎝⎠
2
, (1.8)
длительность ее разгонки;
B
,
N
и d
значения N
исх
0
даны в задании.
p–n
Получают систему уравнений (1.7) и (1.8), деление которых одно
на другое приводит к выражению
2
d
pn
B
N
0
=
N
исх
Dt
4' '
e
−
BpB
,
откуда следует, что
9
2
D
p
D
d
pn
Dt
''
pB pB
Подставляя в формулу (1.9) заданные значения d
ходят произведение D'
pBt'pВ
.
−
=
ln
4
. (1.9)
B
N
0
N
исх
B
,
N
p–n
и N
0
Задаваясь некоторой величиной длительности разгонки, например
t'
= 1 ч (3600 с), из рассчитанного значения D'pBt'pB находят коэф-
pB
фициент диффузии D'
pB
:
'
D =
pB
''
t
BpB
3600
,
исх
, на-
затем по найденному значению D'
вующую ему температуру разгонки бора T'
Таким образом найдены режимы разгонки примеси бора: T'
Далее из формулы (1.7) определяют дозу Q
из табл. 1.1 находят соответст-
pB
.
pB
и t'pB.
pB
, после чего по фор-
B
муле (1.5) рассчитывают и строят профиль распределения атомов
бора.
3. Определить режимы загонки примеси бора (температуры Т
длительности t
) следующим образом. Задаваясь температурой за-
зВ
и
зВ
гонки в пределах 800...1100 °С, из данных табл. 1.2 находят предел
растворимости атомов бора, соответствующий выбранной температуре. Считают при этом, что найденный предел растворимости равен
поверхностной концентрации N
ным выше значением Q
подставляют в формулу (1.4), откуда вы-
B
числяют фактор Dt при загонке бора, т.е. D
загонки Т
ние D
, по данным табл. 1.1 находят соответствующее ей значе-
зВ
, а затем вычисляют
зВ
, величину которой вместе с найден-
0
. Зная температуру
зВtзВ
t
зВ зВ
.
t
=
зВ
D
зВ
Таким образом найдены режимы загонки примеси бора.
Примечания:
Выбор продолжительности диффузионных процессов производят исходя из про-
изводственных возможностей:
– продолжительность загонки tзВ выбирается из диапазона 10…100 мин;
– продолжительность разгонки tpВ выбирается из диапазона 30…360 мин.
Профили распределения атомов бора строят следующим образом: по оси орди-
нат обозначают концентрацию в логарифмическом масштабе, где 20...30 мм соответ-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]