Введение
Целью данногокурсового проекта является расчет параметров структуры транзистора иопределение технологических режимов ее изготовления.
По заданнымпараметрам структуры транзистора выбирается технологический маршрутизготовления. Определяются технологические режимы эпитаксиального наращивания,имплантации, длительность и температура диффузии, рассчитываются профилираспределения примеси.
В курсовомпроекте рассматривается задача синтеза структуры транзистора с использованиемрасчетных соотношений и параметров материалов, применяемых в его производстве.
Экономическийрасчет проекта не проводился.
Новизны вработе нет, так как проектирование проводилось по материалам учебнойлитературы.
Реферат
Пояснительнаязаписка содержит 17 рисунков, 1 таблицу, приложение. При написании проектаиспользовался 1 источник.
Переченьключевых слов: транзистор, диффузия, имплантация, легирующая примесь,p-n-переход, удельное сопротивление, напряжение лавинного пробоя, профильраспределения, температура, коэффициент диффузии, кремний, технологическийрежим.
Объектразработки: структура кремниевого эпитаксиально-планарного n-p-n транзистора.
Цель работы:расчет параметров структуры транзистора и определение технологических режимовее изготовления.
Методразработки: аналитический расчет.
Полученныерезультаты: xjСС = 8,49 мкм, hЭС/> 6 мкм, ЭС =0,4 Ом*см, xjРД = 7,062 мкм, xjКБ = 3 мкм, xjЭБ= 2,3 мкм, cc = 3 мкм.
Степеньвнедрения: не внедрено.
Рекомендациипо внедрению: нет.
Эффективность:не рассчитывалась.
Основныеконструктивные и технико-эксплутационные характеристики: VКБ = 120В, Wа = 0,8 мкм, материал подложки – ЭКДБ-10, ЭС= 0,4 Ом*см.
Областьприменения: расчет кремниевых эпитаксиально-планарных транзисторов.
Содержание
Введение
1. Определение режимов имплантациии термической диффузии
2. Имплантированных ионовсурьмы для создания в подложке скрытого слоя
3. Определение удельногосопротивления эпитаксиального слоя
4. Определение толщиныэпитаксиального слоя
5. Определение режимовэпитаксии
6. Определение режимовразделительной диффузии
7. Определение режимовбазовой диффузии
8. Определение режимовэмиттерной диффузии
9. Проверка величиныразмывания скрытого слоя в процессе последующих диффузий
10. Последовательностьпроцессов при производстве ИМС
Заключение
Список использованныхисточников
1. Определение режимовимплантации и термической диффузии имплантированных ионов сурьмы для создания вподложке скрытого слоя
Определяем параметры скрытого слоя (СС). Посколькупараметры СС в задании на курсовой проект не указаны, то мы воспользуемсястандартными технологическими режимами, используемыми в изготовлении ИМС.Скрытый слой формируется путем имплантации ионов сурьмы с последующейтермической диффузией имплантированных ионов.
Стандартный режим имплантации следующий:
Ф = 500мкКл/см2 – доза облучения;
Е = 50 кэВ –энергия имплантированных ионов.
Термическаядиффузия имплантированных ионов сурьмы Sb+ проводится по режимам:
ТСС= 1220 0С;
tСС= 12 ч.
Распределение атомов сурьмы после диффузии определяетсяследующим выражением:
/>, (1.1)
где Q –количество ионов примеси на единицу поверхности, см-2; x – глубина,соответствующая данной концентрации, см; D – коэффициент диффузии примеси, см2/c;t – длительность диффузии, с.
Выразим дозу в количестве частиц, внедренных на единицуповерхности:
Q = 6,25*1012*Ф. (1.2)
В нашемслучае Q = 6,25*1012*500 = 3,125*1015см-2.
С помощьюрис. 9.5, а [1] определим коэффициент диффузии сурьмы в кремнии при температуреТСС = 1220 0С. Заданной температуре соответствуеткоэффициент D = 4,5*10-13 см2/c.
Глубиназалегания p-n-перехода CC–подложка описывается выражением:
/>, (1.3)
где N0– величина концентрации примеси наповерхности легированного слоя, т.е. при x = 0; NП – концентрацияпримеси в исходной подложке.
Концентрация примеси N0определяется на основе соотношения:
/> (1.4)
В нашем случае
/> см-3.
В стандартнойконструкции микросхем используются кремниевые подложки с удельнымсопротивлением = 10 Ом*см.По графику зависимости концентрации примеси от удельного сопротивления рис. 6.4[1] находим, что удельному сопротивлению = 10 Ом*см соответствует концентрация примеси: NП = 1,2*1015см-3.
С учетом полученных результатов глубину залеганияp-n-перехода определяем по формуле (1.3):
/> 8,49*10-4см = 8,49 мкм.
2. Определениеудельного сопротивления эпитаксиального слоя
Величинаудельного сопротивления эпитаксиального слоя (ЭС) определяется с учетомзаданного значения пробивного напряжения VКБ.
Известно [1],что величина пробивного напряжения плоского резкого p-n-перехода определяетсяследующим соотношением:
/>, (2.1)
где NЭС– концентрация примеси в ЭС, в котором формируется p-n-переход коллектор–база.
Дляпланарного p-n-перехода справедливо следующее выражение [1]:
/>, (2.2)
где Uпр.плоск.– пробивное напряжение плоского p-n-перехода; n = 1 для цилиндрического и n = 2для сферического p-n-перехода.
/>, (2.3)
где r –радиус кривизны p-n-перехода, равный глубине залегания этого p-n-перехода; W0– ширина области объемного заряда (ООЗ) резкого p-n-перехода при напряжениипробоя плоского p-n-перехода:
/>. (2.4)
Проведемрасчет для случая сферического p-n-перехода, т.е. n = 2.
Зададимзначение глубины залегания p-n-перехода xjК-Б = 3 мкм, тогда r = xjК-Б=3 мкм.
Зададимприблизительное значение NЭС. Для этого воспользуемся графикомзависимости напряжения лавинного пробоя p-n-перехода с различной геометриейпереходов рис. 9.3 [1]: NЭС(15 В) = 5*1016 см-3.
Используяполученное из графика значение NЭС, рассчитаем пробивное напряжениеплоского p-n-перехода. Согласно формуле (2.1):
/>= 17,944 В.
Определяемвеличину W0в соответствии с (2.4):
/>= 6,826*10-5см = 0,6826 мкм.
Находим
/>.
По формуле(2.2) определяем точное значение пробивного напряжения p-n-переходаколлектор–база при NЭС = 5*1016 см-3:
Uпр.план.= 17,944*{[(2+1+4,395) *4,3952]1/3-4,395}= 14,937 В.
Сравниваем полученное нами точное значение пробивногонапряжения (14,937 В), с заданным в задании на курсовой проект значениемпробивного напряжением коллектор–база (15 В). Отмечаем, что разница непревышает 10%. Поэтомуоставляем выбранное нами значение концентрации эпитаксиального слоя NЭС= 5*1016 см-3. С помощью рис. 6.4 [1] найдемудельное сопротивление ЭС ЭС = 0,4 Ом*см.
3. Определение толщиныэпитаксиального слоя
Толщина ЭС определяется исходя изсоотношения:
hЭСmin= xjК-Б+W0+сс,(3.1)
где xjК-Б– глубина залегания p-n-перехода коллектор–база; W0– ширина ООЗ p-n-переходапри рабочем напряжении (напряжении пробоя); сс– величина расплывания СС в ЭС, отсчитываемая от границы раздела подложка–ЭС.Зададим глубину залегания xjК-Б = 3 мкм и величину расплывания сс = 3 мкм.
Определимширину ООЗ p-n-перехода по формуле (2.4)
/> 6,241*10-5см = 0,624 мкм.
Согласно(3.1) толщина ЭС hЭС будет равна:
/>
4. Определение режимовэпитаксии
Температураэпитаксии обычно равна 115012000С. Зададим температуру эпитаксии ТЭ=1150 0С.
Скоростьнаращивания ЭС соответствует диапазону vЭН = 0,10,3 мкм/мин. Выбираем vЭН= 0,2 мкм/мин.
Следовательно,длительность эпитаксиального наращивания:
/>
5.Определение режимов разделительной диффузии
Разделительные дорожки (РД) формируются путем диффузии бораВ+ с поверхности ЭС вглубь до смыкания с подложкой. При этом глубиназалегания РД должна быть меньше ЭС на 1 мкм, т.е.
xjРD= hЭС + 1 мкм. (5.1)
В нашемслучае, согласно выражению (5.1) xjРD = 7,062 мкм.
Глубина разделительной диффузии описывается следующимвыражением:
/>, (5.2)
где D2t2– параметры второй стадии разделительной диффузии; N0– концентрацияна поверхности диффузионного разделительного слоя; NП = NЭС– концентрация примеси в ЭС.
В формуле(5.2) должно выполняться соотношение: N0103NП. (5.3)
Положим, чтоN0= 103NП= 103NЭС = 5*1019см-3. Из выражения (5.2) определяем D2t2:
/>.
Задаемтемпературу второй стадии диффузии: Т2=1220 0С. ОпределимD2. Пользуясь рис. 9.5, а [1] находим, что для Т2 = 1220 0Скоэффициент диффузии бора D2(1220) = 3,5*10-12см2/c.
Рассчитываемзначение t2:
/>
Определяем параметры первой стадии разделительной диффузии.Распределение примеси после второй стадии диффузии описывает выражение:
/>, (5.4)
где Q –количество примеси, введенное в полупроводник на первой стадии диффузии. Оноопределяется через параметры первой стадии диффузии выражением:
/>, (5.5)
где N01– величина предельной растворимости. Определяется по графику (рис.9.5, а) [1].
Подставимвыражение (5.5) в (5.4), и выразим N0:
/>, (5.6)
где N0,согласно (5.3), принимаем равным N0= 103NЭС =5*1019 см-3.
Из (5.6)выражаем D1t1:
/>. (5.7)
Зададимтемпературу первой стадии диффузии: Т1=1150 0С. Пографику зависимости рис. 9.5, а [1] находим: D1(1150 0C)= 7*10-13 см2/c.
С помощьюрис. 5.2 [1] находим предельную растворимость бора в кремнии N01(T1)= N01(1150 0C) = 5,4*1020 см-3.
Определяем t1из выражения (5.7):
/>
В результате получаем следующее распределение примеси вразделительных дорожках:
/>.
6.Определение режимов базовой диффузии
Формирование базовой области проведем методомимплантации ионов бора В с последующей термической диффузией имплантированныхионов.
Выбираем дозуимплантированных ионов бора Ф = 10 мкКл/см2 и энергиюимплантированных ионов ЕИ = 20 кэВ. Профиль распределения примесипосле термической диффузии имплантированных ионов описывается следующимвыражением:
/>, (6.1)
глубиназалегания p-n-перехода коллектор-база:
/>, (6.2)
где /> [см-3];NП = NЭС [см-3]. Согласно соотношению (5.3)положим, что N0Б = 5*1019 см-3.
Температурубазовой диффузии выбираем равной 1150 0С. При этом D(1150 0C)= 7*10-13 см2/c.
Определяем время базовой диффузиииз выражения (6.2):
/>
Определяем параметры ионной имплантации:
/>см-2,
С помощью формулы (1.2) найдем дозу облучения
/> мкКл/см2.
Профиль распределения примеси в базовом слое описываетсяследующим выражением:
/>.
7.Определение режимов эмиттерной диффузии
Эмиттерные области формируются путем диффузиифосфора P. Глубина перехода эмиттер–база определяется на основании следующихзначений:
1) выбранногонами значения глубины залегания xjКБ = 3 мкм,
2) заданногов задании значения ширины активной базы Wa = 0,7 мкм.
Глубиназалегания p-n-перехода эмиттер–база определяется выражением:
/>, (7.1)
где xjЭБ= xjКБ — Wa = 2,3 мкм.
Определяемпараметры второй стадии эмиттерной диффузии. Согласно соотношению (5.3)положим, что N0Э = 5*1019 см-3.Зададим температуру второй стадии диффузии Т2 = 1100 0С.Определяем D2(T2) = 1,7*10-13 см2/с.
С помощьювыражения (7.1) определяем длительность второй стадии t2:
/>
Определяем параметры первой стадиидиффузии.
Находим
/>
Принимаем N0Э= 103NП = 8,59*1020 см-3.
Известно, что
/>. (7.2)
Из (7.2)выразим:
/>
Такжеизвестно, что />. Отсюда находим
/>. (7.3)
Задаемтемпературу первой стадии диффузии Т1 = 1100 0С. Призаданной температуре по графикам зависимостей рис. 9.5. и рис. 5.2. [1]определяем
значениякоэффициента диффузии и предельной растворимости для фосфора P. СоответственноD1 = 1,7*10-13 см2/с и N01= 2*1021 см-3.
Из выражения(7.3) найдем длительность первой стадии диффузии t1:
/>
Выражение описывающее профильраспределения фосфора Р в эмиттере имеет следующий вид:
/>
8. Проверка величиныразмывания скрытого слоя в процессе последующих диффузий
Фактическая глубина диффузиипримеси из скрытого слоя в эпитаксиальный слой определяется следующимвыражением:
/> (8.1)
где /> - суммапроизведений всех значений коэффициента диффузии сурьмы при температурах:эпитаксии, разделительной, базовой и эмиттерной диффузии (см. табл. 8.1), ивремени; N0– поверхностная концентрация в скрытом слое; NП– концентрация примеси в ЭС; i – индекс, соответствующий процессу термическойобработки структур, начиная с эпитаксиального наращивания.
КонцентрацияN0определяется по следующей формуле:
/>, (8.2)
где Q — количество ионов сурьмы Sb+ имплантированных в подложку; Dcctcc — произведение коэффициента диффузии сурьмы и времени, соответствующееформированию СС.
Табл. 8.1
Зависимость коэффициента диффузии сурьмы в кремнии оттемпературы
Т, 0C 1100 1150 1220
D, см2/c
3,8*10-14
9,8*10-14
4,5*10-13
Рассчитаем величину расплывания скрытого слоя. Длярассчитанных нами технологических режимов величина
/>
С помощьювыражения (8.2) найдем поверхностную концентрацию в СС:
/>.
По формуле(8.1) найдем
/>
Так какполученное нами значение cc
9.Последовательность процессов при производстве ИМС
1) Составление партии пластин. Количествопластин в партии 15 – 20 штук. Используются пластины марки ЭКДБ–10 диаметром100 мм.
Исходный видструктуры
/>
Рис. 9.1.
2) Химическаяобработка пластин.
3) Термическоеокисление Si.
Пластинапосле термического окисления
/>
Рис. 9.2.
4) Фотолитографияпо окислу кремния.
Вид структурыпосле фотолитографии
/>
Рис. 9.3.
5) Имплантацияионов сурьмы. Она выполняется по режимам: Ф = 500 мкКл/см2; Е = 50кэВ.
Имплантацияионов Sb+
/>
Рис. 9.4.
6) Термическаядиффузия имплантированных ионов сурьмы Sb+. Проводится притемпературе Т = 1220 0С и времени t = 12 ч.
Структура после термической диффузии
/>
Рис. 9.5.
7) Травлениеокисла и химическая обработка пластины.
Травленияокисла
/>
Рис. 9.6.
8) Наращиваниеэпитаксиального слоя.
ТЭ= 1150 0С, tЭ = 30,312 мин. Толщина ЭС hЭС/>6мкм. Удельноесопротивление ЭС = 0,4 Ом*см.
Структурапосле эпитаксиального наращивания
/>
Рис. 9.7.
9) Химическаяобработка.
10) Термическоеокисление.
11) Фотолитографияпо окислу Si под разделительные дорожки.
Фотолитографияпод РД
/>
Рис. 9.8.
12) Химическаяобработка.
13) Термическаядиффузия бора В для создания разделительных дорожек.
1 стадия: Т1= 1150 0С и t1 = 9,08 мин; 2 стадия: Т2 = 12200С и t2 = 1,43 ч.
Термическаядиффузия бора в РД
/>
Рис. 9.9.
14) Фотолитографияпо окислу кремния для создания базовых областей.
Фотолитографияпод базовые области
/>
Рис. 9.10.
15) Химическаяобработка.
16) Имплантацияионов бора В проводится по следующим режимам:
Е = 50 кэВ, Ф= 242 мкКл/см2.
17) Термическаядиффузия имплантированных ионов бора В. Проводится при температуре Т = 1150 0Си t = 77,55 мин.
Диффузия борав область базы
/>
Рис. 9.11.
18) Фотолитографияпо окислу под эмиттер.
Фотолитографияпод эмиттер
/>
Рис. 9.12.
19) Химическаяобработка.
20) Диффузияфосфора P в область эмиттера.
1 стадия: Т1= 1100 0С и t1 = 5125,96 с; 2 стадия: Т2 =1100 0С и t2 = 11261,85 с.
Диффузия фосфора
/>
Рис. 9.13.
21) Фотолитографияпод контактные окна.
Фотолитографияпод контактные окна
/>
Рис. 9.14.
22) Контрольэлектрических параметров элементов. Измерения проводятся при помощи зарядовойустановки и ПИХЛ22.
23) Химическаяобработка.
24) Напылениеалюминия.
Напылениеалюминия
/>
Рис. 9.15.
25) Фотолитографияпо алюминию.
Структураэпитаксиального n-p-n-транзистора
/>
Рис. 9.16.
26) Вплавлениеалюминия.
ТВПЛ
ТВПЛ= 565 0С, t = 3 мин
Заключение
В данномкурсовом проекте при заданном напряжении коллектор-база VКБ = 15 В,ширине активной базы Wа = 0,7 мкм рассчитаны параметры структуры транзистораи определены технологические режимы ее изготовления.
Скрытый слойглубиной xjСС=8,49 мкм формируется по стандартным режимамимплантации (Е=50 кэВ, Ф=500 мкКл/см2) и последующей термическойдиффузии ионов сурьмы (ТСС=1220 0С, tCC=12 ч).Эпитаксиальный слой толщиной hЭС/>6 мкм и удельнымсопротивлением ЭС=0,4 Ом*см наращивается накремниевую пластину ЭКДБ-10. Параметры эпитаксии: температура ТЭ=11500С, скорость наращивания vЭН = 0,2 мкм/мин, длительностьэпитаксиального наращивания tЭ=38 мин.
Разделительныедорожки формируются путем диффузии бора с поверхности ЭС вглубь до смыкания сподложкой (глубина залегания xjРD = 7,062 мкм). Разделительнаядиффузия проводится в два этапа: Т1=1150 0С и t1=9,08мин, Т2=1220 0С и t2=1,43 ч. Формированиебазовой области проводим методом имплантации ионов бора (Е=50 кэВ, Ф=809мкКл/см2) с последующей термической диффузией имплантированных ионов(Т=1150 0С и t=77,55 мин). Эмиттерные области формируются путемпоследовательной диффузии фосфора Р (Т1=1100 0С и t1=5125,96с, Т2=1100 0С и t2=11261,85 с). Величинаразмывания скрытого слоя в эпитаксиальный слой в процессе термообработки КЭССравна cc = 0,36 мкм.
Областьюприменения результатов данного проектирования может являться расчет кремниевыхэпитаксиально-планарных транзисторов.
Список использованных источников
1. Курносов А.И., Юдин В.В. Технологияпроизводства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Учеб. пособиедля вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковыеприборы». – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 386 с., ил.
Приложение 1
/>
/>