Розрахунок параметрів структури інтегрального npn транзистора і визначення технологічних режимів його виготовлення
|
Скачати 27.21 Kb.
|
|
| Дата конвертації | 04.11.2018 |
| Розмір | 27.21 Kb. |
| Тип | курсова робота |
|
|
|
Вступ Метою даного курсового проекту є розрахунок параметрів структури транзистора і визначення технологічних режимів її виготовлення. По заданих параметрах структури транзистора вибирається технологічний маршрут виготовлення. Визначаються технологічні режими епітаксіального нарощування, імплантації, тривалість і температура дифузії, розраховуються профілі розподілу домішки. У курсовому проекті розглядається задача синтезу структури транзистора з використанням розрахункових співвідношень і параметрів матеріалів, що застосовуються в його виробництві. Економічний розрахунок проекту не проводився. Новизни в роботі немає, так як проектування проводилося за матеріалами навчальної літератури. реферат Пояснювальна записка містить 17 малюнків, 1 таблицю, додаток. При написанні проекту використовувався 1 джерело. Перелік ключових слів: транзистор, дифузія, імплантація, легирующая домішка, pn-перехід, питомий опір, напруга лавинного пробою, профіль розподілу, температура, коефіцієнт дифузії, кремній, технологічний режим. Об'єкт розробки: структура кремнієвого 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 Ступінь впровадження: чи не впроваджено. Рекомендації по впровадженню: немає. Ефективність: чи не розраховувалася. Основні конструктивні і техніко-експлуатаційні характеристики: V КБ = 120 В, W а = 0,8 мкм, матеріал підкладки - ЕКДБ-10, ЕС = 0,4 Ом * см. Область застосування: розрахунок кремнієвих епітаксійних-планарні транзисторів. зміст Вступ 1. Визначення режимів імплантації та термічної дифузії 2. імплантували іонів сурми для створення в підкладці прихованого шару 3. Визначення питомого опору епітаксійного шару 4. Визначення товщини епітаксійного шару 5. Визначення режимів епітаксії 6. Визначення режимів розділової дифузії 7. Визначення режимів базової дифузії 8. Визначення режимів емітерний дифузії 9. Перевірка величини розмивання прихованого шару в процесі подальших дифузії 10. Послідовність процесів при виробництві ІМС 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 в 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 / см2 - доза опромінення; Е = 50 кеВ - енергія імплантованих іонів. Термічна дифузія імплантованих іонів сурми Sb + проводиться по режимам: Т СС = 1220 0 С; t СС = 12 год. Розподіл атомів сурми після дифузії визначається наступним виразом:
де Q - кількість іонів домішки на одиницю поверхні, см -2; x - глибина, відповідна даній 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. За допомогою рис. 9.5, а [1] визначимо коефіцієнт дифузії сурми в кремнії при температурі Т СС = 1220 0 С. Про задану температуру відповідає коефіцієнт D = 4,5 * 10 -13 см 2 / c. Глибина залягання pn-переходу CC-підкладка описується виразом:
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:
У стандартній конструкції мікросхем використовуються кремнієві підкладки з питомим опором = 10 Ом * см. За графіком залежності концентрації домішки від питомої 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):
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:
де N ЕС - концентрація домішки в ЕС, в якому формується pn-перехід колектор-база. Для планарного pn-переходу справедливо наступне вираження [1]:
де U пр.плоск. - пробивна напруга плоского pn-переходу; n = 1 для циліндричного і n = 2 для сферичного pn-переходу.
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:
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 різною геометрією переходів рис. 9.3 [1]: N ЕС (15 В) = 5 * 10 16 см -3. Використовуючи отримане з графіка значення N ЕС, розрахуємо пробивна напруга плоского pn-переходу. Відповідно до формули (2.1):
Визначаємо величину W 0 відповідно до (2.4):
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 в завданні на курсовий проект значенням пробивної напругою колектор-база (15 В). Відзначаємо, що різниця не перевищує 10%. Тому залишаємо обраний нами значення концентрації епітаксійного шару N ЕС = 5 * 10 16 см -3. За допомогою рис. 6.4 [1] знайдемо питомий опір ЕС ЕС = 0,4 Ом * см. 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 распливанія СС в ЕС, яка відлічується від кордону розділу підкладка-ЕС. Задамо глибину залягання x Jк-Б = 3 мкм і величину распливанія сс = 3 мкм. Визначимо ширину ООЗ pn-переходу за формулою (2.4)
Згідно (3.1) товщина ЕС h ЕС буде дорівнює:
4. Визначення режимів епітаксії Температура епітаксії зазвичай дорівнює 11501200 0 С. Задамо температуру епітаксії Т Е = 1 150 0 С. Швидкість нарощування ЕС відповідає діапазону v ЕН = 0,10,3 мкм / хв. Вибираємо v ЕН = 0,2 мкм / хв. Отже, тривалість епітаксіального нарощування:
5. Визначення режимів розділової дифузії Розділові доріжки (РД) формуються шляхом дифузії бору В + з поверхні ЕС вглиб 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:
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) має виконуватися співвідношення: N 0 10 3 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:
де Q - кількість домішки, введене в напівпровідник на першій стадії дифузії. Воно визначається через параметри першої стадії дифузії вираженням:
де N 01 - величина граничної розчинності. Визначається за графіком (рис.9.5, а) [1]. Підставами вираз (5.5) в (5.4), і висловимо N 0:
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:
Задамо температуру першої 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. За 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):
В 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 / см2 і енергію імплантованих іонів Е І = 20 кеВ. Профіль розподілу домішки після термічної дифузії імплантованих іонів описується наступним виразом:
глибина залягання pn-переходу колектор-база:
де Температуру базової дифузії вибираємо рівною 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:
За допомогою формули (1.2) знайдемо дозу опромінення
Профіль розподілу домішки в базовому шарі описується наступним виразом:
7. Визначення режимів емітерний дифузії Емітерний області формуються шляхом дифузії фосфору P. Глибина переходу емітер-база визначається на підставі наступних значень: 1) обраного нами значення глибини залягання x jКБ = 3 мкм, 2) заданого в завданні значення ширини активної бази W a = 0,7 мкм. Глибина залягання pn-переходу емітер-база визначається виразом:
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
Приймаємо N 0Е = 10 3 N П = 8,59 * 10 20 см -3. Відомо що
З (7.2) висловимо:
Також відомо, що
Задаємо температуру першої 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 в емітер має наступний вигляд:
8. Перевірка величини розмивання прихованого шару в процесі подальших дифузії Фактична глибина дифузії домішки з прихованого шару в епітаксіальний шар визначається наступним виразом:
де Концентрація N 0 визначається за такою формулою:
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
Розрахуємо величину распливанія 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 1) Складання партії пластин. Кількість пластин в партії 15 - 20 штук. Використовуються пластини марки ЕКДБ-10 діаметром 100 мм. Вихідний вид структури
Мал. 9.1. 2) Хімічна обробка пластин. 3) Термічне окислення Si. Пластина після термічного окислення
Мал. 9.2. 4) Фотолітографія по оксиду кремнію. Вид структури після фотолитографии
Мал. 9.3. 5) Імплантація іонів сурми. Вона виконується за режимами: Ф = 500 мкКл / см2; Е = 50 кеВ. Імплантація іонів Sb +
Мал. 9.4. 6) Термічна дифузія імплантованих іонів сурми Sb +. Проводиться при температурі Т = 1220 0 С і часу t = 12 год. Структура після термічної дифузії
Мал. 9.5. 7) Травлення оксиду і хімічна обробка пластини. травлення окисла
Мал. 9.6. 8) Нарощування епітаксійного шару. Т Е = 1150 0 С, t Е = 30,312 хв. Товщина ЕС h ЕС Структура після епітаксійного нарощування
Мал. 9.7. 9) Хімічна обробка. 10) Термічне окислення. 11) Фотолітографія по оксиду Si під розділові доріжки. Фотолітографія під РД
Мал. 9.8. 12) Хімічна обробка. 13) 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
Мал.9.9. 14) Фотолітографія по оксиду кремнію для створення базових областей. Фотолітографія під базові області
Мал. 9.10. 15) Хімічна обробка. 16) Імплантація іонів бору В проводиться за наступними режимам: Е = 50 кеВ, Ф = 242 мкКл / см2. 17) Термічна дифузія імплантованих іонів бору В. Проводиться при температурі Т = 1150 0 С і t = 77,55 хв. Дифузія бору в область бази
Мал. 9.11. 18) Фотолітографія по оксиду під емітер.
Мал. 9.12. 19) Хімічна обробка. 20) 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
Мал. 9.13. 21) Фотолітографія під контактні вікна. Фотолітографія під контактні вікна
Мал. 9.14. 22) Контроль електричних параметрів елементів. Вимірювання проводяться за допомогою зарядовим установки і ПІХЛ22. 23) Хімічна обробка. 24) Напилювання алюмінію. напилення алюмінію
Мал. 9.15. 25) Фотолітографія по алюмінію. Структура епітаксіального npn-транзистора
Мал. 9.16. 26) вплавлення алюмінію. Т ВПЛ <�Т ЕОТ Al-Si = 570 0 С. Т ВПЛ = 565 0 С, t = 3 хв висновок В 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 / см2) і подальшої термічної дифузії іонів сурми (Т СС = 1220 0 С, t CC = 12 год). Епітаксиальні шар товщиною h ЕС Розділові доріжки формуються шляхом дифузії бору з поверхні ЕС вглиб 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 / см2) з наступною термічною дифузією імплантованих іонів (Т = 1150 0 с і t = 77,55 хв). Емітерний 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 епітаксіальний шар в процесі термообробки Кессі дорівнює cc = 0,36 мкм. Областю застосування результатів даного проектування може бути розрахунок кремнієвих епітаксійних-планарні транзисторів. Список використаних джерел 1. Курносов А.И., Юдін В.В. Технологія виробництва напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем. Учеб. посібник для вузів по спец. «Напівпровідники і діелектрики» і «Напівпровідникові прилади». - 3-е изд., Перераб. і доп. - М .: Вища. шк., 1986. - 386 с., іл. Додаток 1
|
6 мкм, ЕС = 0,4 Ом * см, x jРД = 7,062 мкм, x jКБ = 3 мкм, x jЕБ = 2,3 мкм, cc = 3 мкм.
, (1.1)
, (1.3)
(1.4)
см -3.
8,49 * 10 -4 см = 8,49 мкм.
, (2.1)
, (2.2)
, (2.3)
. (2.4)
= 17,944 В.
= 6,826 * 10 -5 см = 0,6826 мкм.
.
6,241 * 10 -5 см = 0,624 мкм.
, (5.2)
.
, (5.4)
, (5.5)
, (5.6)
. (5.7)
.
, (6.1)
, (6.2)
[см -3]; N П = N ЕС [см -3]. Згідно співвідношенню (5.3) покладемо, що N 0Б = 5 * 10 19 см -3.
см -2,
мкКл / см2.
.
, (7.1)
. (7.2)
. Звідси знаходимо
. (7.3)
(8.1)
- сума творів всіх значень коефіцієнта дифузії сурми при температурах: епітаксії, розділової, базової і емітерний дифузії (див. Табл. 8.1), і часу; N 0 - поверхнева концентрація в прихованому шарі; N П 
, (8.2)
.
6мкм. Питомий опір ЕС = 0,4 Ом * см.
