Технологія виготовлення напівпровідникових приладів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Актуальність даної теми полягає в розгляді планарної технології при виготовлені напівпровідникових приладах.

У 1959 р. була запропонована так звана планарна технологія виготовлення напівпровідникових приладів, яка відкрила нову еру в мікроелектроніці. Існує два різновиди планарної технології: планарно-дифузійна і планарно-епітаксійна. На поверхні однорідної пластини монокристала кремнію p-типу термічним окисленням кремнію формується тонка захисна плівка двооксиду кремнію SіО2 Електронно-дірковий перехід утворюється в об'ємі напівпровідника під цим захисним шаром, що запобігає дії різних зовнішніх факторів на p-n-перехід, а також відіграє важливу роль у процесі виготовлення планарних структур, забезпечуючи проникнення домішки в певні ділянки кристала. Для цього способом фотолітографії виготовляється оксидна маска. Пластину кристала кремнію з рівномірною тонкою (товщина 0,5 мкм) плівкою SіО2 вкривають шаром світлочутливої емульсії - фоторезистом, то6то наносять на пластину кілька краплин фоторезисту і вміщують її у стіл центрифуги. Під час обертання під дією відцентрової сили фоторезист розтікається, утворюючи тонку рівномірну плівку, яку висушують. [2]

Фоторезист чутливий до дії ультрафіолетового світла. На кремнієву пластину накладають фотошаблон з рисунком ділянок, які в по-дальшому повинні бути оброблені, щільно притискують до пластини і освітлюють ультрафіолетовим світлом.

Світло, яке проходить через прозорі ділянки фотошаблону, впливає на фоторезист так, що засвітлені ділянки його полімеризуються і стають нерозчинними в проявнику. Потім пластин и з фоторезистом піддають спеціальній обробці, в результаті якої вилучається лак з тих ділянок, на які не діяло ультрафіолетове випромінювання. Решта ділянок кремнієвої пластини, які покриті двооксидом кремнію, захищені полімеризованою плівкою фоторезисту. Якщо тепер діяти на пластину плавиковою кислотою, яка розчинює двооксид кремнію, то оксидна плівка буде видалена саме з тих місць, де потрібно ввести домішку. Плавикова кислота не діє на полімеризований фоторезист, який, однак, тепер не потрібний і в подальшому змивається спеціальним розчинником. Таким чином, у плівці двооксиду кремнію утворюється сукупність вікон, а на поверхні пластини-потрібний рисунок, вигравійований у плівці. Ця плівка і являє собою оксидну маску, через яку вводиться легуюча домішка. Домішка може бути введена в монокристал кремнію тільки через відкриті вікна, оскільки шар Двооксиду кремнію SіО2 добре затримує дифундуючі речовини.

Через утворені вікна дифундують із газової фази домішки n-типу, і проникаючи вглиб кристала, утворюють n-острівці. Задовільна швидкість дифузії буває при температурі порядку 1000-1200 ОС. Оскільки провідність кристала p-типу, то між ним і острівцями утворюються p-n-переходи .

Метою даної курсової роботи є розгляд планарної технології у виготовленні напівпровідникових приладів. При цьому вирішували наступні завдання:

1. Провести літературний огляд за темою курсової роботи

2. Розрахувати флуктуацію добротності варикапа

3. Розрахувати флуктуацію пробивної напруги варикапа.



РОЗДІЛ 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Вхідний контроль

У технології напівпровідникових інтегральних мікросхем окремі елементи одержують шляхом цілеспрямованої зміни властивостей матеріалу підкладки легованою домішкою. Базовою технологією є епітексіонально-планарна технологія. Сучасна планарна технологія включає ряд послідовних етапів виготовлення напівпровідникових приладів: вирощування на поверхні кремнієвої підкладки епітаксіального шару, окислювання поверхні кремнію, фотолітографію, дифузію, осадження тонких металевих плівок контактного шару. [1]

Вхідному контролю піддають злитки напівпровідникового матеріалу. Найбільш розповсюдженими видами контролю є вимір типу електропровідності, питомого опору, часу життя і рухливості носіїв заряду, щільності дислокацій і інших структурних дефектів.

1.2 Підготовка напівпровідникових пластин

Створення мікросхем починається з підготовки напівпровідникових пластин. Їх одержують шляхом розрізування монокристальних напівпровідникових злитків циліндричної форми з наступним шліфуванням, поліруванням і хімічним травленням для видалення верхнього дефектного шару й одержання дзеркальної поверхні із шорсткістю (висотою нерівностей) 0.03...0.05 мкм. Діаметр пластин не перевищує 150 мм, товщина близько 0.5 мм, припустимий прогин і відхилення від паралельності поверхонь не більш 10 мкм по всьому діаметрі. Пластини характеризуються типом (n чи p) електропровідності, питомим опором, а також кристалографічною орієнтацією поверхні.[2]

Після різання злитка на пластини на поверхні пластин залишаються сліди гофрообразної форми глибиною порядку 10 мкм і зруйнована кристалічна структура, однак, тому що для подальшого використання необхідно шорсткість поверхні пластини не більш 0.01 мкм, тому пластини спочатку притирають по обидва боки дуже дрібнозернистою шліфувальною пастою на дворазову глибину гофрообразних слідів і після цього полірують. Для цього них завантажують у концентричний планетарний механізм із листового металу, що рухається між чавунними шліфувальними колами по циклоїдній траєкторії. У механізм безупинно подають абразивну суспензію (масляна чи водяна суспензія окису алюмінію, карбіду чи кремнію алмазна паста з діаметром зерен 0.25-8 мкм). Тому що полірування являє собою чисто механічний процес, то залишаються все-таки дрібні сліди обробки. Тому застосовують ще спеціальне травлення (хімічне полірування), що служить для видалення поверхневого шару підкладки, ушкодженого під час попередньої обробки (різання, шліфування і полірування), а також для розчинення уламків кремнію, розташованих на поверхні. Під час цього процесу відбувається оголення неушкодженої кристалічної структури напівпровідника, тому що недосконалості кристалічної структури служать центрами рекомбінації носіїв заряду і можуть погіршувати електричні параметри елементів схеми. Після знежирення і ретельного промивання кремнієві пластини підготовлені для проведення эпитаксіально- планарних процесів. [3]

1.3 Високотемпературна та низькотемпературна епітаксія

Процес нарощування на пластину монокристалічного шару, що повторює структуру підшарку і її кристалографічну орієнтацію, називається епітаксією. Звичайно застосовується газофазна эпитаксія, здійснювана в епітаксіальному реакторі. Високотемпературна епітаксія являє собою термохімічний процес. Кремній одержують термічним розкладанням тетрахлорида кремнію в атмосфері водню при температурі 1150-12500С:

SіCl4 + 2H2 = Sі + 4HCl

Чи відновленням трихлорсилана: SіHCl3 + H2 = Sі + 3HCl Одночасно на основі визначених добавок галогенідів легуючих элеметів (BCl3, AsCl3, PCl3) до газової суміші, наприклад 2BCl3 + 3H2 = 2B + 6HCl, можна одержувати визначений опір і тип провідності у вирощених шарах. При високотемпературній епітаксії може відбутися дифузія домішок з підкладки. Але якщо необхідні епітаксіальні шари з різким профілем домішок, використовують низькотемпературну епітаксію: двоступінчастий процес, при якому за короткою високотемпературною фазою (2 хвилини при 1175oС) випливає тривала низькотемпературна фаза (45 хвилин при 1050 oС).

1.4 Окислювання кремнієвих пластин

Наступний етап - окислювання. Маються два основні різновиди термічного окислювання кремнію:

1) високотемпературне окислювання в атмосфері сухого чи кисню зволожених газів (кисню, азоту, аргону), а також водяної пари при атмосферному тиску;

2) окислювання в парах води при високому тиску і температурі 500-8000С. Найчастіше використовують комбіноване окислювання кремнієвих пластин. Спочатку вирощують тонкий шар SiO2 у сухому кисні, потім нарощують більш товстий шар у вологому кисні. І, нарешті, завершують процес окислювання знову обробкою в сухому кисні. Таке комбіноване окислювання забезпечує, з одного боку, одержання необхідних властивостей границі роздягнула Sі - SiO2і шаруючи SiO2і, з іншого боку, при мінімальних температурах і в можливо більш короткий час вирощування шару SiO2 необхідні товщини. Скорочення ж циклу окислювання і зниження температури окислювання потрібні для того, щоб звести до мінімуму перерозподіл домішок при проведенні процесів окислювання і, отже, зберегти геометрію і властивості p-n переходу. При термічній обробці в атмосфері сухого кисню утворення окисла йде відповідно до реакції: Si + O2= SiO2 У присутності невеликої кількості пар води процес окислювання прискорюється і протікає відповідно до реакції:

Si + 2H2O = SiO2+ 2H2

Операція окислювання виконується в дифузійній печі при температурі 1000-12000С. Інтенсивність окислювання убуває зі збільшенням товщини шаруючи окисла. Ріст товщини шаруючи описується лінійно-параболічним законом: x2 + k1x = k2t, де x - товщина окисла, k1 і k2 - константи, а t - час. При окислюванні до складу окисла переходить частина матеріалу підкладки. Товщина цього шару кремнію складає приблизно 0.44 повної товщини оксидної плівки. Мінімально необхідна для ефективного захисту кремнію від дифузії домішок товщина оксидної плівки залежить від температури, тривалості процесу. Вважають, що при дифузії бора достатня товщина маски 0.4...0.5 мкм. [4] Застосування планарної технології на кремнії дає можливість сполучити термічне окислювання з процесом перерозподілу домішки (друга стадія дифузії), оскільки обоє ці процесу можуть здійснюватися при одній і тій же температурі, обраної з урахуванням вимог до дифузійних шарів.

1.5 Фотолітографія

Для локального впровадження домішок легуванням на основі дифузії необхідне формування за допомогою фотолітографії рельєфу оксидного шару, що діє як маска. Фотолітографією називають формування фотохімічними методами малюнків необхідних конфігурацій з тонких плівок різних матеріалів (маскуючих, провідних, діелектричних, резистивних). Малюнок топологічного шару в процесі фотолітографії задає фотошаблон - виконане на прозорому матеріалі зображення технологічного шару в масштабі 1:1 стосовно розмірів інтегральної мікросхеми. Технологія фотолітографічного процесу складається з наступних операцій, виконуваних у визначеній послідовності:

1) Очищення поверхні пластини з нанесеним оксидом. Для цього використовуються розчинники. Рекомендується обробка в парах трихлоретилена, кип'ятіння в азотній кислоті, кип'ятіння в де іонізованій воді з ультразвуковою обробкою і термообробка.

2) Нанесення фоторезисту. Фоторезист - це плівкоутворювальний матеріал, розчинність якого змінюється під впливом світла. Розрізняють позитивний і негативний фоторезист. Позитивний фоторезист під впливом світла стає розчинним, а негативний, навпаки, у результаті фотополімеризації переходить у нерозчинний стан. Товщина фоторезисту звичайно складає 0.2...0.6 мкм.

3) Після висихання фоторезисту, на нього накладається фотошаблон, крізь який відбувається опромінення ультрафіолетовим світлом - експонування. Фотошаблон зачернений на тих ділянках, на яких необхідно розкрити вікна в шарі оксиду.

4) Прояв фоторезисту хімічною обробкою в спеціальних проявниках: водяні розчини їдкого чи натрію тринатрійфосфата (для позитивних фоторезистів) і трихлоретилен, толуол, хлорбензол (для негативних фоторезистів).

5) Задублювання. Ця операція необхідна для остаточної полімеризації рельєфу фоторезисту, що залишився, і поліпшення адгезії фоторезисту до підкладки; здійснюється термообробкою при 1200С протягом 20 хвилин.

6) Травлення оксиду кремнію. Оксид кремнію добре труїться водяним розчином плавикової кислоти, але при цьому через інтенсивне виділення пухирців Sі4 плівка захисного фоторезисту відшаровується від SiO2 розривається в границь вікон, що витравлюються, у результаті спостерігається сильне роз'ятрювання шаруючи SiO2. Щоб уникнути цього застосовують травители, що містять солі плавикової кислоти (NH4F, KF, NaF), називані буферними.

7) Видалення фоторезисту. Фоторезист видаляють двох- чи триразовим кип'ятінням по 5-10 хвилин у концентрованої H2SO4 чи "хромової суміші" (H2SO4 + двухромовокислий калій). Позитивний фоторезист можна видалити також холодним 10-15%-ним розчином їдкого калію; але підкладку після цього необхідно ретельно промити.

Коли кип'ятіння в H2SO4 неприпустимо, наприклад при наявності Al, застосовують кип'ятіння в органічних розчинниках, частіше в трихлоретані.

Після цього пластини кремнію промивають у деіонізованій воді з використанням ультразвуку, потім сушать при температурі 1200С. При вирощуванні кремнієвих напівпровідникових монокристалів за допомогою одночасного легування виготовляють однорідні підкладки з визначеним типом провідності і питомим опором. На таких підкладках вирощують епітаксіальні рівномірно леговані шари. Метою легування є рівномірний розподіл домішки.[5]

1.6 Дифузія

Дифузія застосовується для локальної зміни концентрації домішки в монокристалі кремнію і є в даний час найважливішим технологічним процесом при виготовленні напівпровідникових структур.

Дифузія домішок- це технологічна операція легування - уведення домішок у чи пластину епітаксіальну плівку. При високій температурі (близько 1000oС) домішкові атоми надходять через поверхню і поширюються усередину внаслідок теплового руху.

Основний механізм проникнення примісного атома в кристалічні ґрати складається в послідовному переміщенні по вакансіях (порожнім вузлам) ґрат. Можливі також, хоча і менш ймовірні, переміщення по міжвузіллям і обмін місцями із сусідніми атомами. З іншого боку, відомо, що атом домішки електрично активний, тобто виконує функцію чи донора акцептора, тільки в тому випадку, якщо він займає місце у вузлі. Отже, для одержання сильнолегованих областей і скорочення часу дифузії необхідно мати високу концентрацію вакансій у поверхневому шарі пластини. При нормальній температурі вона дуже мала (107 см-3), але при температурі 500...1200С досягає 1021см-3 за рахунок поверхневого випару атомів, дифузії атомів основного матеріалу з глибини пластини до її поверхні (що еквівалентно "дифузії" вакансій від поверхні всередину), а також зсуву атомів у міжвузілля внаслідок теплових коливань ґрат. Дифузія здійснюється через захисну маску з двоокису кремнію донорами (елементи для створення n-провідності, наприклад, фосфор, миш'як, сурма) чи акцепторами (елементи для створення p-провідності, наприклад, бор, галій, індій, алюміній). Однак фронт продифундованих атомів домішки в напівпровідниковій підкладці різко не виражений, тому що внаслідок статистичного розподілу теплової енергії атомів домішки їхня концентрація зменшується всередину кристала. Якщо при впровадженні в підкладку фронт дифузії округляється, то на поверхні підкладки він поширюється концентрично. При цьому, як випливає з малюнка, зона дифузії ставати більше, ніж вікно в окісному шарі. Цей факт необхідно приймати в увагу при виборі розмірів вікон дифузії для зменшення взаємного впливу поруч лежачих дифузійних областей. Домішки характеризуються коефіцієнтом дифузії D, що визначає щільність потоку атомів, що дифундують.Це перший закон дифузії (перший закон Фіка). [6] У планарній технології обмежуються звичайно розглядом одномірної задачі - дифузії домішки в глиб підкладки, перпендикулярно її поверхні. Якщо з цим напрямком збігається координата x, то можна записати так:

F = - D(dN/dx).

Розглядаючи процес дифузії, необхідно знати зміна концентрації домішки в залежності від часу і відстані. Ці залежності виводяться з першого закону і називаються другим законом дифузії (другий закон Фіка):

(dN/dt)=D(d2N/dx2)

Коефіцієнт дифузії характеризує швидкість дифузії даної домішки в даному матеріалі. Зміна коефіцієнта дифузії з температурою описується експонентною залежністю

D=Doexp(dE/kT)

Залежність D(T) дозволяє оцінити необхідний ступінь стабільності температури в зоні дифузії. Практично в дифузійних печах нестабільність температури лежить у межах ± (0.5...0.25)oС. Інший параметр домішок - гранична розчинність (максимально припустима концентрація домішок Nгран) на відміну від D незначно збільшується з ростом температури (у 2...3 рази на кожні 300oС при T < 13000С). Вона складає приблизно 1020...1021при T = 1100oС При технічній реалізації процесу розрізняють дві принципові можливості класичної дифузії: дифузію з газової фази (з нескінченного джерела) і дифузію з твердої фази (з кінцевого джерела). У зв'язку з цим дифузійні установки принципово розрізняються тим, що як джерело домішки застосовують тверді, рідкі чи газоподібні з'єднання. Дифузія з постійного (нескінченного) джерела. У цьому випадку концентрація домішки в поверхні роздягнула підтримується постійної

N(0,t) = const = No.

Це значить, що зменшення числа атомів домішки, що ідуть в обсяг напівпровідника через поверхню розділу, ніяк не відбивається на концентрації їх у поверхні. Джерелом атомів диффузанта в цьому випадку є потік газу, омиваючий напівпровідникові підкладки в зоні дифузії дифузійної печі. Зменшення числа атомів, що ідуть у підкладку, складає незначну частину стосовно загального числа атомів в обсязі газу. Таким чином, умова виконується досить точно. Рішення рівняння дифузії для даного випадку має вид: В міру протікання дифузії домішка проникає усе глибше в підкладку. Очевидно, що при нескінченно великому часі дифузії концентрація No, що мається в поверхні підкладки, установилася у всьому обсязі напівпровідника. Одержання потрібного профілю концентрації легуючої домішки ставати можливим, якщо у визначений момент часу зупинити дифузію, остудивши підкладку. Охолодження підкладки навіть на 100 ±С практично припиняє процес, а при нормальній температурі отриманий профіль концентрації буде зберігатися незмінним практично як завгодно довго.

Дифузія з обмеженого джерела. Умови, що накладаються на процес дифузії, у цьому випадку зводяться до того, що повна кількість атомів домішки, що беруть участь у дифузії на протяг усього процесу, залишається постійним. Тому процес зводиться до перерозподілу визначеної кількості атомів домішки в обсязі напівпровідника. Досягається це введенням деякої кількості диффузанта на поверхню й у тонкий приповерхній обсяг напівпровідника, це називають "загонкою" домішки. Після цього підкладки прогріваються без уведення додаткової домішки, відбувається перерозподіл диффузанту і проникнення його в глиб підкладки. Цей етап процесу називається "разгонкой" домішки.

При цьому, природно, концентрація домішки в поверхні убуває. Після закінчення процесу дифузії у визначену дифузійну область неминучі повторні цикли нагрівання підкладки. З огляду на, що аргументом, що визначає профіль концентрації, є добуток Dt (де коефіцієнт дифузії D, що залежить від температури, має різні значення в різних циклах дифузії), ефективне значення аргументу Dt можна визначити зі співвідношення

Dtэф = D1t1 + D2t2 + ... + Dntn.



Таким чином, можна врахувати розмиття профілю дифузії при повторних циклах нагрівання підкладки. Одним з перспективних методів уведення легуючих домішок є іонна імплантація. Атоми бора, що випарувалися, чи фосфору іонізуються в потоці електронів. Отримані іони прискорюються в електромагнітному полі і бомбардують кремнієву підкладку, що відіграє роль мішені. Енергія, що повідомляється електромагнітним полем легуючим атомам, досягає сотень кілоелектрон-вольт. Цієї енергії досить для того, щоб атоми легуючої домішки впровадилися в структуру кремнієвої підкладки на глибину порядку одного мікрона. Помістивши на поверхні підкладки маску (наприклад, з алюмінієвої чи плівки з іншого металу, здатного затримувати падаючий на нього потік іонів), можна досягти ефекту локальної імплантації легуючих атомів приблизно так само, як це відбувається при дифузії через контактну маску з двоокису кремнію.

Процес іонної імплантації не вимагає високотемпературного, строго контрольованого нагрівання підкладки, профіль концентрації, одержуваний при іонному легуванні, має максимум на деякій глибині, яку можна регулювати, змінюючи енергію іонів, що бомбардують. Іонна імплантація характеризується високою відтворюваністю результатів. Недоліком методу є досить велика складність технологічного устаткування. Інший метод легування кремнієвої підкладки без високотемпературного нагрівання - локальне нагрівання електронним бомбардуванням. На поверхню підкладки наноситься мілкодисперсний порошок з'єднання диффузанта й у потрібних ділянках підкладка піддається нагріванню сфальцьованим електронним пучком. У нагрітій ділянці з'єднання диффузанта (наприклад, борний ангідрид B2O3) розкладаються й атоми бора проникають у глиб нагрітого кремнію. [7] Таким методом зручно формувати діодні структури, що містять тисячі діодів на одному кристалі і призначені для використання в якості діодних матриць постійних запам'ятовуючих пристроїв.



1.7 Металізація

Далі на підкладку необхідно нанести провідну плівку для створення омічних контактів. Крім необхідних електрофізичних параметрів від них потрібно гарна адгезія (міцність зв'язку) до матеріалу, на який наноситься плівка, зокрема до чи кремнію діоксиду кремнію. Деякі матеріали мають погану адгезію з підкладками, (наприклад, золото з кремнієм). Тоді на підкладку спочатку наносять тонкий підшар з гарною адгезією, а на нього - основний матеріал, що має гарну адгезію з підшаром. Для запобігання ушкоджень плівок при коливаннях температури бажано, щоб ТКР плівок і підкладок якнайменше відрізнялися друг від друга. Найбільше широко як матеріал коммутовуючого шару застосовується алюміній. Його легко можна вплавляти в кремнієву підкладку (крапка евтектики системи алюміній-кремній 5770С). Алюміній по своїй природі є акцепторною домішкою, тому необхідно враховувати можливість утворення в області контакту p-n переходу з різко нелінійною вольт-амперною характеристикою. Однак слаболеговані області напівпровідника n-типу в області контакту легуються до високої концентрації.

Легування домішками до високої концентрації викликає значні порушення регулярної структури монокристалевого кремнію поблизу поверхні, тому паразитний p-n перехід, формований у місці контакту між областями p+ (кремній з алюмінієм) і n+ типу, має великий витік і по характері провідності наближається до звичайного омічного контакту. Нанесення суцільної плівки алюмінію виконується після втравлювання в шарі двоокису вікон під контакти. Осадження алюмінію, як правило, відбувається в термічній вакуумній установці. При цьому алюміній стикається з кремнієм через контактні вікна. [8] Однак міцне з'єднання алюмінію з кремнієм виходить тільки після операції вплавления, що відбувається при температурі порядку 500 oс. Остаточне формування контактних площадок вироблятися методами фотолітографії.

Основні способи нанесення тонких плівок:

- термічний вакуумний випаровуванням;

- розпилення іонним бомбардуванням;

- катодне розпилення;

- іонно-плазмене напилювання;

- високочастотне розпилення;

- хімічне осадження з водяних розчинів.

1.8 Скрайбування та розламування пластин на кристали

Для поділу пластин на кристали роблять скрайбування - нанесення сітки взаємно перпендикулярних рисок глибиною 10...15 мкм тонким алмазним різцем. Потім пластини розколюють, поміщаючи їх на м'яку гумову підкладку і прокочуючи під невеликим тиском гумові валики в напрямку рисок. Через ушкодження поверхні і небажаних відколів на цьому етапі неминуче виникає шлюб, що збільшується з ростом товщини пластин. Чим більше діаметр пластин, тим більше їхня товщина, необхідна для забезпечення механічної міцності. Оскільки СБИС виконуються на пластинах великого діаметра, то відсоток бракованих СБИС при механічному скрайбування і розколюванні особливо великий. Для СБИС більш придатні немеханічні способи поділу. Одним з них є скрайбування за допомогою лазерного променя, що дозволяє робити глибокі ризики (100...200 мкм), а при багаторазовому проході - цілком розділяти пластини на кристали без розколювання. Іншим способом є наскрізне анізатропне травлення пластин. Немеханічні методи забезпечують значно менший шлюб і краще піддаються автоматизації. [5]

1.9 Розводка виводів та корпусування

Далі кристали встановлюють у корпуси. Існує велике число типів корпусів, що розрізняються застосовуваними матеріалами, способами герметизації, конструкцією висновків, показниками надійності і вартості. По застосовуваних матеріалах корпуса підрозділяються на металокерамічні, керамічні, металлоскляні, металлополімерні, пластмасові і полімерні (приведені в порядку зниження надійності і вартості). Більшість корпусів має дворядне розташування виводів. Виводи можуть розташовуватися в площині корпуса - планарні, або перпендикулярно площини корпуса. [3]

1.10 Контроль якості

Для оцінки параметрів і надійності приладів їх надсилають у відділ технічного контролю, де проводять електричні, кліматичні та механічні випробування. Вони важливі для правильної інформації про якість і надійність приладів. Крім цього кожна технологічна операція супроводжується контролем якості обробки, наприклад вимірюванням глибини дифузії, товщину епітоксіального шару чи питомого або поверхневого опору. Після того, як в структурі створені р-n-переходи, виробляють контроль електричних параметрів - напруги пробою, струму витоку, місткості. [10]



РОЗДІЛ 2. МЕТОДИЧНА ЧАСТИНА

2.1 Об'єкт дослідження

Об'єктом дослідження є планарна технологія виготовлення напівпровідникових приладів. Було розглянуто виготовлення напівпровідникового діода.

2.2 Розрахунок невідповідності основних електричних параметрів кремнієвого епітаксійно - планарного n+- p варикапа

Розрахунок флуктуації добротності.

Добротність варикапа визначається з виразу:

,

Rпосл = Rn + Rб + Rкn + Rкр + Rеп-п + Rпідк + Rпр,

де Rn- опір n+ - області (розраховується n+ - p варикап);

Rб- опір бази варикапа;

Rкn та Rкр- опори контактів до n+ - та p- області відповідно;

Rеп-п- опір перехідного розмитого шару на межі розділу епітаксійна

плівка - підкладка;

Rпідк- опір підкладки;

Rпр- опір золотої проволоки, яку використовують для формування

внутрішніх виводів.

В нашому розрахунку ми не враховуємо складові формули (2.3), окрім Rб, вважаючи їх дуже малими. Тобто ми вважаємо, що Rпосл ?Rб.

Опір бази варикапа будемо розраховувати за формулою:



Площа p-n переходу Sp-n розраховується за заданим діаметром круглого вікна фотошаблона для дифузії фосфору:

Зазвичай товщину бази Wб( див. (2.4) ) знаходять з виразу:

,

де xj- глибина p-n переходу;

d1- розширення ОПЗ p-n переходу при зворотній напрузі, яке встановлюється при вимірі Q;

W1- зміщення підкладки в епітаксійну плівку в процесі всіх високотемпературних операцій.

Ми будемо вважати Wб ? dеп, тобто будемо вважати, що величини xj, d1 та W1ми вже врахували, тобто відняли від dеп. В подальшому будемо використовувати позначення dеп маючи на увазі Wб.

Дисперсія Q по заданому розкиду питомого опору бази розраховується за формулою:

,

де - дисперсія питомого опору.

Для розрахунку необхідно спочатку розрахувати і .

Для знаходження в формулу (2.) підставляємо всі задані значення величин, замість Rпосл підставляємо значення Rб з формули (2.4), отримуємо:

,

де - якесь число, отримане від перемноження підставлених значень dеп, Сном і т.д.

Беремо похідну по сеп від виразу (2.8):

.

Для оцінки у за величиною флуктуації питомого опору, тобто ус, використовуємо емпіричне правило, згідно якому:

,

де - максимальне відхилення величини питомого опору;

с - коефіцієнт, величина якого залежить від числа вимірів N (табл. 2.1.):

Залежність коефіцієнта с від числа виміру

Таблиця 2.1.

N	5	10	20	30	100	?
c	2,3	3,1	3,7	4,1	5,0	6,0

Підставивши значення с та в формулу (2.10), знаходимо (середньоквадратичне відхилення, якщо брати ,то буде дисперсія):

Розрахуємо тепер Сном за формулою:

Повернемося знову до розрахунку і розрахуємо похідну , використовуючи формулу (2.2):

Тепер, підставивши знайдені значення і в формулу (2.7) знаходимо дисперсію за заданим відхиленням питомого опору бази :

Далі розрахуємо дисперсію добротності за заданими відхиленнями товщини епітаксійної плівки за формулою:

,

Дисперсію товщини епітаксійної плівки знаходимо аналогічно дисперсії сеп:

,

де - максимальне відхилення значення товщини епітаксійного шару. напівпровідниковий пластина епітаксія дифузія

З маємо (2.16, а). Далі знаходимо :

,

де b - якесь число, отримане перемноженням сеп, Сном і т.д. Підставивши знайдені значення та в формулу (2.10), знаходимо дисперсію добротності за заданим відхиленням значення товщини епітаксійного шару:

Тепер розрахуємо сумарну дисперсію добротності, обумовлену флуктуаціями dеп та сеп:

.

За результатами розрахунку знаходимо середнє квадратичне відхилення:



.

Тепер визначаємо розкид добротності по усьому інтервалу вимірів dеп та сеп:

Використовуємо емпіричне правило, згідно якому максимальне відхилення величини А, тобто ?А в умовах експерименту дорівнює :

,

де у - дисперсія величини А;

с - коефіцієнт, який залежить від числа вимірів N.

В даному випадку ?А=?Q.

,

Далі можна розрахувати розкид добротності по усьому інтервалу вимірів dеп та сеп:

Визначимо який вклад дисперсія кожного аргументу dеп та сеп вносить в зміну Q. Показник кореляційного відношення:



,

де -дисперсія, що вноситься i-тим параметром;

- дисперсія, що вноситься розкидом усіх факторів (у нас їх два dеп та сеп).

З допомогою (2.25) знаходимо:

Розрахунок флуктуації пробивної напруги варикапа

Будемо вважати, що p-n перехід у нас плоский. Пробивна напруга плоского різкого n+- pпереходу визначається за формулою:

Розрахуємо дисперсію пробивної напруги за формулою:

,

Для розрахунку необхідно знайти похідну , тобто похідну по сеп від виразу (2.28):

Далі використовуючи знайдені значення та і підставивши їх у (2.29) знайдемо дисперсію пробивної напруги. Знаходимо середньоквадратичне відхилення:

Визначимо розкид значень пробивної напруги за рахунок зміни сеп по усьому інтервалу вимірів сеп:



РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

3.1 Розрахунок флуктуації добротності

Вихідні дані для виконання розрахунку:

;

;

при ;

при ;

- заряд електрона;

- діелектрична постійна кремнію;

- діелектрична постійна вакууму;

- концентрація легуючої домішки в вихідній епітаксійній плівці p-типу;

;

- контактна різниця потенціалів для кремнію;

- максимальне відхилення значення товщини епітаксійного шару;

При.

Знаходимо площу p-n переходу Sp-n за формулою (2.18):

За формулою (2.17) знаходимо послідовний опір варикапа:

За формулою (2.24) знаходимо номінальну ємність варикапа:

Розрахуємо похідну , використовуючи формулу (2.15):

За формулою (2.23, а) розрахуємо середньоквадратичне відхилення:

Відповідно дисперсія дорівнює квадрату середньоквадратичного відхилення:

За формулою розрахуємо дисперсію за заданим відхиленням питомого опору бази :



За формулою (2.28, а) розрахуємо дисперсію за заданим відхиленням значення товщини епітаксіального шару :

За формулою (2.29) знаходимо :

За формулою (2.30) знаходимо дисперсію добротності за заданим відхиленням значення товщини епітаксійного шару:

За формулою (2.31) розрахуємо сумарну дисперсію добротності, обумовлену флуктуаціями dеп та сеп:

За результатами розрахунку знаходимо середнє квадратичне відхилення за формулою (3.32):

За формулою (2.35) визначаємо максимальне відхилення значення добротності:

За формулою (2.36) визначаємо значення добротності:

Таким чином:

Визначимо який вклад дисперсія кожного аргументу dеп та сеп вносить в зміну Q. Показник кореляційного відношення знаходимо за формулою (2.38):

Дисперсію, що вноситься розкидом denзнаходимо за формулою (2.39):

3.2 Розрахунок флуктуації пробивної напруги варикапа

Для цього за формулою (2.40) визначимо пробивну напругу плоского різкого n+-pпереходу:



Для розрахунку необхідно знайти похідну , тобто похідну по сеп від виразу:

Розрахуємо дисперсію пробивної напруги за формулою:

Знаходимо середньоквадратичне відхилення за формулою:

Визначимо розкид значень пробивної напруги за рахунок зміни сеп по усьому інтервалу вимірів сеп за формулою (2.44):



ВИСНОВКИ

В результаті виконання курсової роботи було зроблено наступні висновки:

1. Розглянуто використання планарної технології у виготовленні напівпровідникових приладів.

2. Розглянуто розрахунок електричних параметрів електронних приладів по заданому розкиду їх фізичних параметрів за допомогою кореляційного аналізу.

3. Проведено розрахунок невідповідності основних електричних параметрів кремнієвого епітаксійно - планарного n+- p варикапа за заданим розкидом фізичних параметрів вихідного напівпровідникового матеріалу.

4. Планарна технологія відіграє важливу роль у виготовленні напівпровідникових приладів.



СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. -Учебник - М:Высшая школа, 1986 г. - 159 с.

2. Горелик С.С. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. - М: Металлургия, 1988 г. - 542 с.

3. Поліщук Є.С. Метрологія та вимірювальна техніка. -Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2003. - 356 с.

4. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. - М.: Высшая школа, 1989. - 145 с.

5. Математическая статистика / Иванова В.М.., Калинина В.Н., Нешумова Л.А. и др. - М.: Высшая школа, 1981. - 253 с.

6. Гаскаров Д.В., Дахнович А.А. Оптимизация технологических процессов в производстве электронных приборов. - М.: Высшая школа, 1986. - 364 с.

7. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов: Пер. с нем. / Под ред. Э.К. Лецкого. - М.: Мир, 1977. - 189 с.

8. Курносов А.И., Юдин В.В.Технологияизготовления ПП и ИМС. -М.: Радио и связь, 1986. - 65 с.

9. Поліщук Є.С., Дорожовець М.М., Івахів О.В. та ін. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин. -Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2008. - 48 с.

10. Викулин И.М., Стафеев И.И.Физикаполупроводниковыхприборов. - М.: Сов. радио, 1990. - 95 с.

Размещено на Allbest.ru

...