Расчет профиля легирования примесей эпитаксиально-планарных транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра электроники

Расчетно - графическая работа №1

По дисциплине: «Технология материалов и изделий электронной техники»

На тему: «Рассчет профиля легирования примесей эпитаксиально - планарных транзисторов»

Выполнил: студент группы ПС-13-3

Абитов А.К.

Принял: Туякбаев А.А.

Алматы, 2014



Содержание

Задание на расчетно - графическую работу

Методические указания

Расчетная часть

График профиля легирования примесей эпитаксиально - планарных транзисторов

Список литературы



Задание на расчетно - графическую работу

Рассчитать профиль легирования примесей эпитаксиально-планарных транзисторов для исходных данных, определяемых по последней цифре зачетной книжки (табл.1).

Таблица 1

Посл. цифра зачет. книж ки	Темп, загонки бора в °С	Время загонки бора в мин.	Темп, разгонки бора в °С	Время разгонки бора в мин.	Темп. загонки фосфора в °С	Время загонки фосфора в мин.	Темп. разгонки фосфора в°С	Время разгонк и фосфора в мин.
1	900	60	1200	120	900	60	1000	120
2	950	50	1250	150	950	50	1050	150
3	1000	40	1150	180	1000	40	1100	180
4	1050	30	1100	210	1050	30	1150	210
5	1020	'55	1050	240	1100	55	1100	240
6	900	50	1250	270	1150	50	1050	270
7	950	40	1200	300	870	40	1000	300
8	1000	30	1150	330	900	30	1100	330
9	1050	40	1100	360	1000	40	1150	360
0	930	60	1050	400	1150	60	950	400

Построить на миллиметровой бумаге или с помощью компьютера рассчитанный профиль легирования эпитаксиально-планарного транзистора.

Примечание: недостающие для расчета параметры из справочных данных выбираются студентом самостоятельно.

Методические указания

Современные твердотельные интегральные транзисторы изготавливаются методами планарной или изопланарной технологий, часто с использованием и лучевых технологий [2, 3]. Современные транзисторы характеризуются тем, что области базы и эмиттера получают последовательной направленной локальной диффузией (обычно бора и фосфора соответственно) на эпитаксиально выращенный на подложке кремниевый коллекторный слой п - типа. Благодаря большей простоте производства в интегральной схемотехнике преобладающее распространение получили транзисторы типа п-р-п по сравнению с р-п-р транзисторами.

Исходным материалом при изготовлении планарного транзистора служит кремниевая подложка с выращенной на ней эпитаксиальной пленкой п - кремния - для транзистора с высокоомным коллектором, либо п - n - структуры для транзисторов с низкоомным коллектором (1.2 3, 4).

Наибольшее распространение при выращивании эпитаксиальных пленок получили методы водородного восстановления трихлорсилана, водородного восстановления тетрахлорида кремния и термического разложения моносилана [3]. Низкие скорости выращивания эпитаксиальных пленок обеспечивают равномерную концентрацию примесей в коллекторе транзистора. После этого происходит маскировка окисной пленкой и получение на ней вытравленных окон, в которые при высокой температуре осуществляется направленная диффузия акцепторных примесей (например, бора) для создания базовой области. Диффузия бора обычно протекает в две стадии. Первая стадия диффузии (загонка) ведется при температуре (900 - 1050°С) в течение от минут до 1 часа. При этом создается большая поверхностная концентрация атомов бора на поверхности кремния, близкая к предельной растворимости бора в кремнии при температуре диффузии.

После загонки бора пленку боросиликатного стекла снимают в растворе на основе плавиковой кислоты, пластины промывают в деионизованыой воде и загружают в печь для проведения второй стадии диффузии - перераспределения примесей одновременно с окислением (разгонка). Разгонка бора проводится при температуре (1050 - 1250°С) в течение нескольких часов (от двух и более). При этом весь процесс протекает в окислительной среде, т.е. используется кислородная атмосфера с увлажнением и без увлажнения.

Поверхность, на которой эпитаксиальная донорная концентрация равна диффузионной акцепторной концентрации называется металлургической границей коллекторного р-n перехода

Ndk(Xko)-N_A(Xko)=0. (1)

После этого производится вторая фотолитографическая обработка, при которой локализуются будущие эмиттерные области. В полученные окна проводят диффузию фосфора. При изготовлении высокочастотных транзисторов диффузия фосфора также осуществляется в две стадии. Загонка проводится при температуре (870 - 1150°С), а разгонка при (1000 - 1150°С). При этом следует отметить, что для каждого конкретного типа транзистора диффузионные температурные режимы задаются с точностью ±1°С. Временные режимы должны быть также достаточно точны для получения хорошей воспроизводимости.

Металлургической границей эмиттерного р-п перехода х_эо будет поверхность, на которой диффузионная донорная концентрация равна диффузионной акцепторной концентрации(5).

N_D3(X3o)-N_a(X3o) = 0. (2)

Строго говоря, при точном определении металлургической границы эмиттерного р-n перехода необходимо учитывать и эпитаксиальную донорную концентрацию коллектора, т.е. вместо (2) пользоваться выражением

N_дэ (Хко*) - N_a (х_эо*) + N_dk = 0 ( 3)

а при определении металлургической границы коллекторного р-п перехода учитывать диффузионную составляющую донорной концентрации примеси

N_дэ(х_к0*) + N_dk -N_A(х_ко*) = 0. (4)

Рассмотрим теперь распределение концентрации диффузионных примесей. Общеизвестно, что концентрация диффузионных примесей уменьшается по мере удаления от поверхности [2,4 - 9].

Для анализа распределения диффузионной концентрации (диффузионного профиля) необходимо решить дифференциальное уравнение, называемое вторым законом Фика [5, 10].

где зависимость коэффициента диффузии D от температуры определяется из выражения

D⁼D₀exp(- ) (6)

где Н -- энергия активации; К -- постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; D₀ - постоянная, зависящая от вида полупроводникового материала и диффузанта.

Значения Н и D₀ определяются экспериментально и приведены в [5, 10, 11] Общее решение уравнения (5) имеет вид [5]

N(x,t) =

где Ј - текущая координата интегрирования; f(Ј) - начальное распределение концентраций, равное: N(x, 0). Наибольший практический интерес представляют два частных случая этого решения, которые могут характеризовать две стадии диффузии, применяемые в планарной технологии изготовления транзисторов.

Первый случай, соответствующий "загонке" примеси, представляет собой диффузию от поверхности постоянной концентрации: обычно в литературе его называют случаем диффузии из бесконечного источника [5,12]. Граничные условия в этом случае имеют вид N(0,t) = N_s. Начальная концентрация во всем теле равна нулю. Решение задачи в этом случае для полуограниченного тела принимает вид [5]

N(x,t) = H_gerf

где erfc(x/(2*\D*t)) = 1 - - дополнительная функция ошибок.

Рассмотренный пример реализуется при больших глубинах диффузии и малых поверхностных концентрациях, когда коэффициент диффузии не зависит от концентрации и, следовательно, от координаты х. В работе [5] показано, что при поверхностных концентрациях бора менее 6 * 10¹⁹ см' распределение бора при диффузии подчиняется закону дополнительной функции ошибок (8). При N_s > 6*10^|9см`³ коэффициент диффузии D становится непостоянным и растет, что приводит к появлению участка с почти постоянной концентрацией на кривых N = N(x).

Во многих практических случаях важно знать количество диффузанта, проникшего в тело за время диффузии. Эта величина может быть определена по формуле [12]

Q=, где j(0,t) - поток диффузанта в объем тела, равный

j(0,t) = N_s*(D/(Pi*t))^0.5.

Интегрируя полученное выражение по времени, получим

Q ⁼

Данное выражение позволяет определять количество диффузанта при загонке примеси.

При разгонке перераспределение примесей можно использовать следующее выражение

N(x,t) = N_s/2*[erf((h - x/(2*(D*t)^1/2)) + erf((h + x/(2*(D*t)^1/2))]

В данном случае диффузия ведется из ограниченного источника диффузанта. Количество диффузанта, равное Q = N_s*h, в процессе диффузии остается неизменным. Происходит перераспределение примеси по объему тела. Если толщину слоя ? устремить к нулю, то получим распределение примеси при диффузии из бесконечно тонкого слоя в полуограниченное тело с отражающей границей. Если полагать, что с устремлением ? к нулю количество диффузанта Q в слое остается неизменным, то распределение примеси запишется

N(x,t) = Q/(* D*t)^1/2,exp(-x²/(4* D*t)).

Данное выражение в достаточной степени точно позволяет рассчитывать профиль легирования примесей при тех или иных технологических режимах. Однако это выражение не учитывает то, что происходит перераспределение примеси между кремнием и окисным слоем.



Расчетная часть

По номеру студенческого билета выбрал вариант №7

Данные для варианта №7

Посл. цифра зачет. книж ки	Темп, загонки бора в °С	Время загонки бора в мин.	Темп, разгонки бора в °С	Время разгонки бора в мин.	Темп. загонки фосфора в °С	Время загонки фосфора в мин.	Темп. разгонки фосфора в°С	Время разгонк и фосфора в мин.
7	950	40	1200	300	870	40	1000	300

Исходные данные для бора:

= 2*10²⁰

Коэффициент диффузии D при темп. 1000^о= 7 * 10^-14. Коэффициент диффузии D при темп. 1200^о = 2* 10^-12

Рассчитаем количество диффузанта при загонке примеси по формуле:

Q ⁼ = = 2,925*10¹⁵

Рассчитаем профиль легирования примесей по формуле:

N(x,t) = .

x = 0.5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 2*10¹⁹cm^-3

x = 1*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 1.4*10¹⁹cm^-3

x = 1,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 7*10¹⁸cm^-3

x = 2*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 2,8*10¹⁸cm^-3

x = 2,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 1.4*10¹⁷cm^-3

x = 3*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 2*10¹⁷cm^-3

x = 3,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 3,8*10¹⁶cm^-3

x = 4*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 5,5*10¹⁵cm^-3

x = 4,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = =6*10¹⁴cm^-3

x = 5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 5*10¹³cm^-3

Исходные данные для фосфора:

N_s=2*10²⁰

Коэффициент диффузии при температуре 1000 = 1,3*10^-14

Рассчитаем количество диффузанта при загонке примеси по формуле:

Q ⁼ = = 1.26*10¹⁵.

планарный транзистор легирование примесь

Рассчитаем профиль легирования примесей по формуле:

N(x,t) = .

x = 0,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 1,2*10¹⁹cm^-3

N(x,t) = .

x = 1*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 5*10¹⁸cm^-3

x = 1,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 4,4*10¹⁸cm^-3

x = 2*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 1,8*10¹⁸cm^-3

x = 2,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 5,5*10¹⁷cm^-3

x = 3*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 1,3*10¹⁷cm^-3

x = 3,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 2,4*10¹⁶cm^-3

x = 4*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 3,4*10¹⁵cm^-3

x = 4,5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 3,7*10¹⁴cm^-3

x = 5*10^-4cm

N₁(x,t) = = = 3,19*10¹³cm^-3



Список литературы

1. Линн Д., Мейер Ч., Гамильтон Д. Анализ и расчет интегральных схем. Перевод с англ., изд-во «Мир», Москва, 1969.

2. Основы технологии кремниевых интегральных схем. Окисление, диффузия, эпитаксия. Под ред.Бургера Р., Донована Р. Перевод с англ.под ред. Мордковича В.Н., Пресса Ф.П. Москва, «Мир», 1969.

3. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Москва. Изд-во «Советское радио», 1971.

4. Dobkin R.C. New Developments in monolithic Op Amps. «Electronics World», 1970.

5. Кремниевые планарные транзиторы. Под ред. Федотова Я.А. Москва. «Советское радио», 1971.

6. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Перевод с англ. Под ред. Трутко А.Ф. Москва. «Энергия», 1973.

7. Мэдленд Г.Р., Дикен Г.К., Ричардсон Р.Д., Боуер Ф.Т., Крет Д.Г. Интегральные схемы. Основы проектирования и технологии. Перевод с англ.под ред. Мартюшова К.Н. Москва. «Советское радио», 1970.

8. Тсай К. Неглубокие диффузионные слои фосфора в кремнии. «ТИИЭР», 1969.

9. Новиков Б.В. Теоретические основы микроэлектроники. Москва. «Высшая школа», 1972.

10. Пикус Г.С. Основы теории полупроводниковых приборов.Москва. «Наука», 1965.

11. Колоссов А.А., Горбунов Ю.Н., Наумов Ю.Е. Полупроводниковые твердые схемы. Москва. «Советское радио», 1965.

12. Fuller C.S., Ditzenberger J.A. Diffusion of Donor and acceptor elements in silicon. «Journal of applied physics», 1956.

Размещено на Allbest.ru

...