Введення
Метою даного курсового проекту є розрахунок параметрів структури транзистора і визначення технологічних режимів її виготовлення.
За заданими параметрами структури транзистора вибирається технологічний маршрут виготовлення. Визначаються технологічні режими епітаксійного нарощування, імплантації, тривалість і температура дифузії, розраховуються профілі розподілу домішки.
У курсовому проекті розглядається задача синтезу структури транзистора з використанням розрахункових співвідношень та параметрів матеріалів, застосовуваних у його виробництві.
Економічний розрахунок проекту не проводився.
Новизни в роботі немає, так як проектування проводилося за матеріалами навчальної літератури.
Реферат
Пояснювальна записка містить 17 рисунків, 1 таблицю, додаток. При написанні проекту використовувався 1 джерело.
Перелік ключових слів: транзистор, дифузія, імплантація, легіруюча домішка, pn-перехід, питомий опір, напруга лавинного пробою, профіль розподілу, температура, коефіцієнт дифузії, кремній, технологічний режим.
Об'єкт розробки: структура кремнієвих епітаксійних-планарного npn транзистора.
Мета роботи: розрахунок параметрів структури транзистора і визначення технологічних режимів її виготовлення.
Метод розробки: аналітичний розрахунок.
Отримані результати: x jСС = 8,49 мкм, h ЕС 6 мкм, ЕС = 0,4 Ом * см, x jРД = 7,062 мкм, x jКБ = 3 мкм, x jЕБ = 2,3 мкм, cc = 3 мкм.
Ступінь впровадження: не запроваджено.
Рекомендації по впровадженню: ні.
Ефективність: не розраховувалася.
Основні конструктивні та техніко-експлуатаційні характеристики: V КБ = 120 В, W а = 0,8 мкм, матеріал підкладки - ЕКДБ-10, ЕС = 0,4 Ом * див
Область застосування: розрахунок кремнієвих епітаксійних-планарних транзисторів.
Зміст
Введення
Визначення режимів імплантації та термічної дифузії
Імплантованих іонів сурми для створення в підкладці прихованого шару
Визначення питомого опору епітаксійного шару
Визначення товщини епітаксійного шару
Визначення режимів епітаксії
Визначення режимів роздільної дифузії
Визначення режимів базової дифузії
Визначення режимів емітерний дифузії
Перевірка величини розмивання прихованого шару в процесі наступних дифузії
10. Послідовність процесів при виробництві ІМС
Висновок
Список використаних джерел
1. Визначення режимів імплантації та термічної дифузії імплантованих іонів сурми для створення в підкладці прихованого шару
Визначаємо параметри прихованого шару (СС). Оскільки параметри СС у завданні на курсовий проект не вказані, то ми скористаємося стандартними технологічними режимами, використовуваними у виготовленні ІМС. Прихований шар формується шляхом імплантації іонів сурми з наступною термічною дифузією імплантованих іонів.
Стандартний режим імплантації наступний:
Ф = 500 мкКл / см 2 - доза опромінення;
Е = 50 кеВ - енергія імплантованих іонів.
Термічна дифузія імплантованих іонів сурми Sb + проводиться за режимами:
Т СС = 1220 0 С;
t СС = 12 ч.
Розподіл атомів сурми після дифузії визначається наступним виразом:
, (1.1)
де Q - кількість іонів домішки на одиницю поверхні, см -2; x - глибина, відповідна даної концентрації, см; D - коефіцієнт дифузії домішки, см 2 / c; t - тривалість дифузії, с.
Висловимо дозу в кількості частинок, впроваджених на одиницю поверхні:
Q = 6,25 * 10 12 * Ф. (1.2)
У нашому випадку Q = 6,25 * 10 12 * 500 = 3,125 * 10 15 см -2.
З допомогою рис. 9.5, а [1] визначимо коефіцієнт дифузії сурми в кремнії при температурі Т СС = 1220 0 С. Заданій температурі відповідає коефіцієнт D = 4,5 * 10 -13 см 2 / c.
Глибина залягання pn-переходу CC-підкладка описується виразом:
, (1.3)
де N 0 - величина концентрації домішки на поверхні легованого шару, тобто при x = 0; N П - концентрація домішки у вихідній підкладці.
Концентрація домішки N 0 визначається на основі співвідношення:
(1.4)
У нашому випадку
см -3.
У стандартній конструкції мікросхем використовуються кремнієві підкладки з питомою опором = 10 Ом * див За графіком залежності концентрації домішки від питомого опору рис. 6.4 [1] знаходимо, що питомому опору = 10 Ом * см відповідає концентрація домішки: N П = 1,2 * 10 15 см -3.
З урахуванням отриманих результатів глибину залягання pn-переходу визначаємо за формулою (1.3):
8,49 * 10 -4 см = 8,49 мкм.
2. Визначення питомого опору епітаксійного шару
Величина питомого опору епітаксійного шару (ЕС) визначається з урахуванням заданого значення пробивної напруги V КБ.
Відомо [1], що величина пробивної напруги плоского різкого pn-переходу визначається наступним співвідношенням:
, (2.1)
де N ЕС - концентрація домішки в ЕС, в якому формується pn-перехід колектор-база.
Для планарного pn-переходу справедливо наступне вираження [1]:
, (2.2)
де U пр.плоск. - пробивна напруга плоского pn-переходу; n = 1 для циліндричного і n = 2 для сферичного pn-переходу.
, (2.3)
де r - радіус кривизни pn-переходу, рівний глибині залягання цього pn-переходу; W 0 - ширина області об'ємного заряду (ООЗ) різкого pn-переходу при напрузі пробою плоского pn-переходу:
. (2.4)
Проведемо розрахунок для випадку сферичного pn-переходу, тобто n = 2.
Задамо значення глибини залягання pn-переходу x jК-Б = 3 мкм, тоді r = x jК-Б = 3 мкм.
Задамо приблизне значення N ЕС. Для цього скористаємося графіком залежності напруги лавинного пробою pn-переходу з різної геометрією переходів рис. 9.3 [1]: N ЕС (15 В) = 5 * 10 16 см -3.
Використовуючи отримане з графіка значення N ЕС, розрахуємо пробивну напругу плоского pn-переходу. Відповідно до формули (2.1):
= 17,944 В.
Визначаємо величину W 0 відповідно до (2.4):
= 6,826 * 10 -5 см = 0,6826 мкм.
Знаходимо
.
За формулою (2.2) визначаємо точне значення пробивної напруги pn-переходу колектор-база при N ЕС = 5 * 10 16 см -3:
U пр.план. = 17,944 * {[(2 +1 +4,395) * 4,395 2] 1 / 3 -4,395} = 14,937 В.
Порівнюємо отримане нами точне значення пробивної напруги (14,937 В), із заданим у завданні на курсовий проект значенням пробивного напругою колектор-база (15 В). Відзначаємо, що різниця не перевищує 10%. Тому залишаємо вибраного нами значення концентрації епітаксійного шару N ЕС = 5 * 10 16 см -3. З допомогою рис. 6.4 [1] знайдемо питомий опір ЕС ЕС = 0,4 Ом * див
3. Визначення товщини епітаксійного шару
Товщина ЕС визначається виходячи зі співвідношення:
h ЕСmin = x jК-Б + W 0 + сс, (3.1)
де x jК-Б - глибина залягання pn-переходу колектор-база; W 0 - ширина ООЗ pn-переходу при робочій напрузі (напрузі пробою); сс - величина розпливання СС в ЕС, яка відлічується від кордону розділу підкладка-ЕС. Задамо глибину залягання x jК-Б = 3 мкм і величину розпливання сс = 3 мкм.
Визначимо ширину ЗНЗ pn-переходу за формулою (2.4)
6,241 * 10 -5 см = 0,624 мкм.
Згідно (3.1) товщина ЕС h ЕС буде дорівнює:
4. Визначення режимів епітаксії
Температура епітаксії зазвичай дорівнює 1150 1200 0 С. Задамо температуру епітаксії Т Е = 1150 0 С.
Швидкість нарощування ЕС відповідає діапазону v ЕН = 0,1 0,3 мкм / хв. Вибираємо v ЕН = 0,2 мкм / хв.
Отже, тривалість епітаксійного нарощування:
5. Визначення режимів роздільної дифузії
Розділові доріжки (РД) формуються шляхом дифузії бору В + з поверхні ЕС углиб до змикання з підкладкою. При цьому глибина залягання РД повинна бути менше ЕС на 1 мкм, тобто
x jРD = h ЕС + 1 мкм. (5.1)
У нашому випадку, відповідно до виразу (5.1) x jРD = 7,062 мкм.
Глибина розділової дифузії описується наступним виразом:
, (5.2)
де D 2 t 2 - параметри другій стадії розділової дифузії; N 0 - концентрація на поверхні дифузійного розділового шару; N П = N ЕС - концентрація домішки в ЕС.
У формулі (5.2) повинно виконуватися співвідношення: N 0 3 жовтня N П. (5.3)
Покладемо, що N 0 = 10 3 N П = 10 3 N ЕС = 5 * 10 19 см -3. З виразу (5.2) визначаємо D 2 t 2:
.
Задаємо температуру другій стадії дифузії: Т 2 = 1220 0 С. Визначимо D 2. Користуючись рис. 9.5, а [1] знаходимо, що для Т 2 = 1220 0 С коефіцієнт дифузії бору D 2 (1220) = 3,5 * 10 -12 см 2 / c.
Розраховуємо значення t 2:
Визначаємо параметри першої стадії розділової дифузії. Розподіл домішки після другої стадії дифузії описує вираз:
, (5.4)
де Q - кількість домішки, введене в напівпровідник на першій стадії дифузії. Воно визначається через параметри першої стадії дифузії виразом:
, (5.5)
де N 01 - величина граничної розчинності. Визначається за графіком (ріс.9.5, а) [1].
Підставимо вираз (5.5) в (5.4), і висловимо N 0:
, (5.6)
де N 0, згідно (5.3), приймаємо рівним N 0 = 10 3 N ЕС = 5 * 10 19 см -3.
З (5.6) висловлюємо D 1 t 1:
. (5.7)
Задамо температуру першій стадії дифузії: Т 1 = 1150 0 С. За графіком залежності рис. 9.5, а [1] знаходимо: D 1 (1150 0 C) = 7 * 10 -13 см 2 / c.
З допомогою рис. 5.2 [1] знаходимо граничну розчинність бору в кремнії N 01 (T 1) = N 01 (1150 0 C) = 5,4 * 10 20 см -3.
Визначаємо t 1 з виразу (5.7):
У результаті отримуємо такий розподіл домішки в розділових доріжках:
.
6. Визначення режимів базової дифузії
Формування базової області проведемо методом імплантації іонів бору В з наступною термічною дифузією імплантованих іонів.
Вибираємо дозу імплантованих іонів бору Ф = 10 мкКл / см 2 і енергію імплантованих іонів Е І = 20 кеВ. Профіль розподілу домішки після термічної дифузії імплантованих іонів описується наступним виразом:
, (6.1)
глибина залягання pn-переходу колектор-база:
, (6.2)
де [См -3]; N П = N ЕС [см -3]. Згідно співвідношенню (5.3) покладемо, що N 0Б = 5 * 10 19 см -3.
Температуру базової дифузії вибираємо рівної 1150 0 С. При цьому D (1150 0 C) = 7 * 10 -13 см 2 / c.
Визначаємо час базової дифузії з виразу (6.2):
Визначаємо параметри іонної імплантації:
см -2,
За допомогою формули (1.2) знайдемо дозу опромінення
мкКл / см 2.
Профіль розподілу домішки в базовому шарі описується наступним виразом:
.
7. Визначення режимів емітерний дифузії
Еміттерние області формуються шляхом дифузії фосфору P. Глибина переходу емітер-база визначається на підставі наступних значень:
обраного нами значення глибини залягання x jКБ = 3 мкм,
заданого в завданні значення ширини активної бази W a = 0,7 мкм.
Глибина залягання pn-переходу емітер-база визначається виразом:
, (7.1)
де x jЕБ = x jКБ - W a = 2,3 мкм.
Визначаємо параметри другій стадії емітерний дифузії. Згідно співвідношенню (5.3) покладемо, що N 0Е = 5 * 10 19 см -3. Задамо температуру другій стадії дифузії Т 2 = 1100 0 С. Визначаємо D 2 (T 2) = 1,7 * 10 -13 см 2 / с.
За допомогою виразу (7.1) визначаємо тривалість другої стадії t 2:
Визначаємо параметри першої стадії дифузії.
Знаходимо
Приймаються N 0Е = 10 3 N П = 8,59 * 10 20 см -3.
Відомо, що
. (7.2)
З (7.2) виразимо:
Також відомо, що . Звідси знаходимо
. (7.3)
Задаємо температуру першій стадії дифузії Т 1 = 1100 0 С. При заданій температурі за графіками залежностей рис. 9.5. і рис. 5.2. [1] визначаємо
значення коефіцієнта дифузії і граничної розчинності для фосфору P. Відповідно D 1 = 1,7 * 10 -13 см 2 / с і N 01 = 2 * 10 21 см -3.
З виразу (7.3) знайдемо тривалість першої стадії дифузії t 1:
Вираз описує профіль розподілу фосфору Р у емітер має наступний вигляд:
8. Перевірка величини розмивання прихованого шару в процесі наступних дифузії
Фактична глибина дифузії домішки з прихованого шару в епітаксійний шар визначається наступним виразом:
(8.1)
де - Сума творів усіх значень коефіцієнта дифузії сурми при температурах: епітаксії, розділової, базовою та емітерний дифузії (див. табл. 8.1), і часу; N 0 - поверхнева концентрація в прихованому шарі; N П - концентрація домішки в ЕС; i - індекс , відповідний процесу термічної обробки структур, починаючи з епітаксіального нарощування.
Концентрація N 0 визначається за наступною формулою:
, (8.2)
де Q - кількість іонів сурми Sb + імплантованих в підкладку; D cc t cc - твір коефіцієнта дифузії сурми і часу, відповідне формування СС.
Табл. 8.1
Залежність коефіцієнта дифузії сурми в кремнії від температури
Т, 0 C | 1100 | 1150 | 1220 |
D, см 2 / c | 3,8 * 10 -14 | 9,8 * 10 -14 | 4,5 * 10 -13 |
Розрахуємо величину розпливання прихованого шару. Для розрахованих нами технологічних режимів величина
За допомогою виразу (8.2) знайдемо поверхневу концентрацію в СС:
.
За формулою (8.1) знайдемо
Так як отримане нами значення cc <3 мкм, значить залишаємо товщину епітаксійного шару без змін.
9. Послідовність процесів при виробництві ІМС
Складання партії пластин. Кількість пластин у партії 15 - 20 штук. Використовуються пластини марки ЕКДБ-10 діаметром 100 мм.
Вихідний вид структури
Рис. 9.1.
Хімічна обробка пластин.
Термічне окислення Si.
Пластина після термічного окислення
Рис. 9.2.
Фотолітографія по оксиду кремнію.
Вид структури після фотолітографії
Рис. 9.3.
Імплантація іонів сурми. Вона виконується за режимами: Ф = 500 мкКл / см 2; Е = 50 кеВ.
Імплантація іонів Sb +
Рис. 9.4.
Термічна дифузія імплантованих іонів сурми Sb +. Проводиться при температурі Т = 1220 0 С і часу t = 12 год
Структура після термічної дифузії
Рис. 9.5.
Травлення оксиду та хімічна обробка пластини.
Травлення оксиду
Рис. 9.6.
Нарощування епітаксійного шару.
Т Е = 1150 0 С, t Е = 30,312 хв. Товщина ЕС h ЕС 6мкм. Питомий опір ЕС = 0,4 Ом * див
Структура після епітаксійного нарощування
Рис. 9.7.
Хімічна обробка.
Термічне окислення.
Фотолітографія по оксиду Si під розділові доріжки.
Фотолітографія під РД
Рис. 9.8.
Хімічна обробка.
Термічна дифузія бору В для створення розділових доріжок.
1 стадія: Т 1 = 1150 0 С і t 1 = 9,08 хв; 2 стадія: Т 2 = 1220 0 С і t 2 = 1,43 ч.
Термічна дифузія бору в РД
Рис. 9.9.
Фотолітографія по оксиду кремнію для створення базових областей.
Фотолітографія під базові області
Рис. 9.10.
Хімічна обробка.
Імплантація іонів бору В проводиться по наступних режимах:
Е = 50 кеВ, Ф = 242 мкКл / см 2.
Термічна дифузія імплантованих іонів бору В. Проводиться при температурі Т = 1150 0 С і t = 77,55 хв.
Дифузія бору в область бази
Рис. 9.11.
Фотолітографія по оксиду під емітер.
Фотолітографія під емітер
Рис. 9.12.
Хімічна обробка.
Дифузія фосфору P в область емітера.
1 стадія: Т 1 = 1100 0 С і t 1 = 5125,96 с; 2 стадія: Т 2 = 1100 0 С і t 2 = 11261,85 с.
Дифузія фосфору
Рис. 9.13.
Фотолітографія під контактні вікна.
Фотолітографія під контактні вікна
Рис. 9.14.
Контроль електричних параметрів елементів. Виміри проводяться за допомогою зарядовим установки і ПІХЛ22.
Хімічна обробка.
Напилювання алюмінію.
Напилювання алюмінію
Рис. 9.15.
Фотолітографія за алюмінієм.
Структура епітаксіального npn-транзистора
Рис. 9.16.
Вплавление алюмінію.
Т ВПЛ <Т ЕОТ Al-Si = 570 0 С.
Т ВПЛ = 565 0 С, t = 3 хв
Висновок
У даному курсовому проекті при заданій напрузі колектор-база V КБ = 15 В, ширині активної бази W а = 0,7 мкм розраховані параметри структури транзистора та визначено технологічні режими її виготовлення.
Прихований шар глибиною x jСС = 8,49 мкм формується за стандартними режимам імплантації (Е = 50 кеВ, Ф = 500 мкКл / см 2) і наступної термічної дифузії іонів сурми (Т СС = 1220 0 С, t CC = 12 год). Епітаксійний шар товщиною h ЕС 6 мкм і питомим опором ЕС = 0,4 Ом * см нарощується на кремнієву пластину ЕКДБ-10. Параметри епітаксії: температура Т Е = 1150 0 С, швидкість нарощування v ЕН = 0,2 мкм / хв, тривалість епітаксійного нарощування t Е = 38 хв.
Розділові доріжки формуються шляхом дифузії бору з поверхні ЕС углиб до змикання з підкладкою (глибина залягання x jРD = 7,062 мкм). Розділова дифузія проводиться в два етапи: Т 1 = 1150 0 С і t 1 = 9,08 хв, Т 2 = 1220 0 С і t 2 = 1,43 ч. Формування базової області проводимо методом імплантації іонів бору (Е = 50 кеВ , Ф = 809 мкКл / см 2) з наступною термічною дифузією імплантованих іонів (Т = 1150 0 С і t = 77,55 хв). Еміттерние області формуються шляхом послідовної дифузії фосфору Р (Т 1 = 1100 0 С і t 1 = 5125,96 с, Т 2 = 1100 0 С і t 2 = 11261,85 с). Величина розмивання прихованого шару в епітаксійний шар в процесі термообробки Кессі дорівнює cc = 0,36 мкм.
Областю застосування результатів даного проектування може бути розрахунок кремнієвих епітаксійних-планарних транзисторів.
Список використаних джерел
Курносов А.І., Юдін В.В. Технологія виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем. Учеб. посібник для вузів за спец. «Напівпровідники та діелектрики» і «Напівпровідникові прилади». - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Вищ. шк., 1986. - 386 с., Іл.
Додаток 1