Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт новых материалов и нанотехнологий (ИНМиН)

Кафедра Технологии материалов электроники

Курсовая работа

Расчет профиля распределения примеси n в кремниевом биполярным n-p-n транзисторе

Выполнил: Мирмабуров Ш.А.

Курс: II-магистр

Группа: МНТМ-22-1

Проверил: Курочка А.С

Москва 2023

Введение

Ионной имплантацией принято называть легирование тонких приповерхностных слоев твердого тела путем облучения поверхности пучком ионов, ускоренных до энергии 104-106 эВ. Первые публикации по этой тематике датированы началом 60-х годов и речь тогда шла о легировании полупроводников. Это направление доминировало вплоть до начала 80-х годов, когда параллельно с ним появилась и за несколько лет сформировалась новая ветвь исследования технологии, получившая в последние годы название "имплантационная металлургия".

Универсальность ионной имплантации (и по виду легирующего вещества, и по виду легируемого материала) на начальном периоде "малых доз" позволяла не ограничивать себя ни физическими, ни экономическими соображениями и пытаться применить ее всюду, где есть твердое тело и необходимость как-то изменить свойства его поверхностного слоя. На фоне колоссального расширения фронта работ до поры до времени можно было не замечать отдельных неудач в применении ионной имплантации к тем или иным системам и тут же переходить к другим задачам. Позже, когда бум "Имплантация может все!" сменился более углубленным и серьезным анализом, начали проясняться некоторые физические ограничения имплантационного метода. Этот процесс начался, когда, с одной стороны, стали пытаться для получения тех же результатов пробовать другие, альтернативные методы, а с другой стороны, началась "гибридизация" имплантационной методики с традиционными технологиями.

1. Теоретическая часть

1.1 Сущность и назначение ионной имплантации

Ионная имплантация это процесс, в котором практически любой элемент может быть внедрен в приповерхностную область любого твердого тела мишени, помещенной в вакуумную камеру, посредством пучка высокоскоростных ионов с энергией до нескольких мегаэлектронвольт. Имплантируемые ионы внедряются в материал мишени на глубину от 0,01 до 1 мкм, формируя в ней особое структурно-фазовое состояние. Толщина слоя зависит от энергии и от массы ионов и от массы атомов мишени.

Так как технология имплантационного модифицирования позволяет внедрить в поверхность заданное количество практически любого химического элемента на заданную глубину, то таким образом можно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которые невозможно достичь даже при использовании высоких температур. Следовательно, оказалось возможным создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали. Ионная имплантация приводит к значительному изменению свойств поверхности по глубине:

- слой с измененной дислокационной структурой до 100 мкм.

Успешное применение ионной имплантации определяется главным образом возможностью предсказания и управления электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при заданных условиях имплантирования.

1.2 Схема установки

Рис. 1. Схема установки для ионной имплантации

Схема установки для ионной имплантации приведена на рис. 1.

1- источник ионов

2- масс-спектрометр

3- диафрагма

4- источник высокого напряжения

5- ускоряющая трубка

6- линзы

7- источник питания линз

8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча

9- система отклонения луча по горизонтали

10- мишень для поглощения нейтральных частиц

11- подложка

Магнитный масс-спектрометр предназначен для отделения ненужных ионов от легирующих, электрометр для измерения величины имплантированного потока ионов. Маски для ИИ могут быть изготовлены из любых материалов, используемых в технологии СБИС (фоторезист, нитриды, окислы, поликремний).

Управление дозой при ИИ затруднено рядом факторов. Это наличие потока нейтральных частиц, обмен энергии ионов с молекулами газов, вторичная электронная эмиссия из мишени, эффект обратного нонного распыления. Для ликвидации последствий действия этих факторов используют следующие технические приемы. Нейтральные молекулы отсеивают с помощью масс-спектрометра (его магнитным полем не отклоняет нейтральные частицы и они не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживается достаточно высокий вакуум, предотвращающий процесс нейтрализации ионов. Вторичную электронную эмиссию подавляют, располагая около мишени ловушку Фарадея.

Рис. 2. Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий в кремний

Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных энергий в кремний приведен на рис. 2. Для корректного теоретического расчета профиля, особенно для больших значений энергий пучков ионов, используют два объединенных распределения Гаусса

Где D- поглощенная доза, Rm модальная длина пробега (аналог проекционной длины пробега при Гауссовском распределении),

D R1, D R2 - флуктуации первого и второго распределения

D Ri =D R1 при х>Rm.

D Ri = D R2 при хRm.

Теоретические профили, рассчитанные по приближенню Пирсона с 4 параметрами и распределению Гаусса, и измеренные профили при ионной имплантации бора в кремний без проведения отжига приведены на рис. 3.

1.3 Основные характеристики ионной имплантации

Формально ионной имплантацией следовало бы называть облучение поверхности твердого тела атомами или атомарными ионами с энергией не менее 5-10 энергий связи атома в решетке облучаемой мишени (тогда до остановки ион или атом пройдет не менее 2-3 межатомных расстояний, т.е. внедрится, "имплантируется" в объем мишени). Будем, однако, по традиции термином "ионная имплантация" называть здесь более узкий диапазон энергий от 5-10 кВ до 50-100 кэВ (это связано и с историей развития метода, и с особенностями оборудования, на котором реализуется облучение, да и с тем, что для других энергий ионов уже практикуются иные наименования процесса). И с самого начала сложилась такая ситуация, что исследователи ионной имплантации декларировали (имея на это достаточно оснований) следующий ряд достоинств легирования методом ионной имплантации (или имплантационного легирования):

1. Возможность вводить (имплантировать) любую примесь, любой элемент Таблицы Менделеева.

2. Возможность легировать любой материал.

3. Возможность вводить примесь в любой концентрации независимо от се растворимости в материале подложки.

4. Возможность вводить примесь при любой температуре подложки, от гелиевых температур до температуры плавления включительно.

5. Возможность работать с легирующими веществами технической чистоты и даже с их химическими соединениями (тоже любой чистоты).

6. Изотопная чистота легирующего ионного пучка (т.е. возможность легировать не только исключительно данным элементом, но и исключительно данным изотопом этого элемента).

7. Легкость локального легирования (с помощью хотя бы элементарного механического маскирования).

8. Малая толщина легированного слоя (менее микрона).

9. Большие градиенты концентрации примеси по глубине слоя, недостижимые при традиционных методах с неизбежным диффузионным размыванием границы.

10. Легкость контроля и полной автоматизации технологического процесса.

11. Совместимость с планарной технологией микроэлектроники.

К настоящему времени эйфория абсолютизации этих достоинств прошла, более или менее определенно сформировались области их наиболее выпуклого проявления, но также и области, где они перестают действовать (ниже об этом будет сказано подробнее). В каждом конкретном случае применения ионной имплантации на первый план выступают те или иные особенности процесса, те или иные физические эффекты, сопутствующие имплантации.

2. Расчетная часть

Рассчитать профиль распределения концентрации примеси в транзисторной структуре, образованной имплантацией ионов бора и фосфора в кремний с электропроводностью п-типа. Построить графики зависимости концентрации акцепторной примеси, донорной примеси и суммарного распределения примеси от глубины обозначением образованных р-n-переходов. Определить глубину залегания р-п-переходов.

Исходный данные:

Решение

1. Воспользуемся таблицей для определения проекций пробега Rx и отклонения пробега Rx, зная значения ускоряющего напряжения для В и Р.

Таблица - Значения проекций пробега R_p и отклонения пробега R_p ионов в кремнии, нм

Внесем эти данные в таблицу

2. Следующим шагом посчитаем, максимальную концентрацию и глубину залегания p-n-перехода для B и P по формулам:

Расчетная таблица.

3. Для расчета профиля распределения примеси в транзисторе нам понадобится формула для распределения концентрации примеси в аморфных мишенях, которая подчиняется распределению Гаусса:

Для расчёта возьмём х с шагом 50 нм от 0 до 800 нм. Получим таблицу данных, на основе которой построим графики. А также для удобства будем строить график зависимости InN(x).

Также для построение профиля распределения примеси на графике будем отображать In(Nисх), чтобы можно было увидеть пересечения, где образуется p-n-переход.

Рисунок 1. Профиль распределения примеси В в кремниевом транзисторе с указанием p-n-переходов.

Построим такой же график уже для примеси фосфора.

Рисунок 2.- Профиль распределения примеси Р в кремниевом транзисторе с указанием p-n-переходов.

Для построение суммарного графика нам необходимо формула:

Получим следующую таблицу, по которой можно будет построить профиль.

Рисунок 3.- Профиль распределение примесей В и Р в кремниевом транзисторе с указанием p-n-переходов.

У нас получилось два p-n-перехода и общее начертание суммарного распределения уже можно заметить, но для удобства я вынес его на отдельный график.

Рисунок 4.- Профиль распределение примесей В и Р в кремниевом транзисторе с указанием p-n-переходов.

Поскольку один переход образуется между примесными слоями, то его глубину можно определить, по графику и примерно она равна 330 нм.

Вывод

ионная имплантация транзистор

Распределение примеси бора и фосфора в кремниевом биполярном n-p-n транзисторе имеет большое значение для его работы. Примеси бора и фосфора играют роль в формировании p-n переходов в транзисторе, что определяет его электрические характеристики.

Распределение примесей должно быть тщательно контролируемым и однородным по всему объему полупроводникового материала. Неравномерное распределение примесей может привести к нежелательным эффектам, таким как локальные области с измененной проводимостью или ухудшением электрических характеристик транзистора.

Поэтому важно проводить точный контроль процесса диффузии примесей в полупроводниковом материале, чтобы обеспечить однородное и предсказуемое распределение бора и фосфора в кремниевом биполярном транзисторе.

Размещено на Allbest.ru