Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра електроніки та наносистем

КУРСОВа робота

з дисципліни «Фізико-хімічні основи мікро- та нанотехнологій»

на тему: «Виготовлення дифузійного діода»

студента 3 курсу групи МНТ-18-б напряму підготовки

- 153 «Мікро та наносистемна техніка» БРОВКО Д. В.

Керівник: к.т.н., доцент Жагловська О. М.

м. Вінниця 2021 рік



ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Затверджую

Зав. кафедри електроніки та наносистем

_________Й. Й. Білинський

«__»_______ 2020 р.

індивідуальне Завдання

на курсову роботу

з дисципліни «Фізико-хімічні основи мікро- та нанотехнологій»

студенту 3 курсу гр. МНТ-18Б Бровка Дмитра

на тему: «Виготовлення дифузійного діода»

1. Провести аналіз теоретичної бази виготовлення дифузійного діода

2. Розрахувати технічний режим дифузійного діода на основі вихідних даних

3. Провести моделювання профілю розподілу домішок

4. Вказати та описати технологічне обладнання, що використовується для виготовлення дифузійного діода

Основні вихідні данні:

Розміри структури (xЧyЧz): 10Ч5Ч5 мкм, Концентрація домішки в підкладці: Nd=10¹⁷см^-3 (легуюча домішка - фосфор). При різній концентрації домішки в "еміттері" на його поверхні: N_a=1)10¹⁸; 2)5*10¹⁸; 3)10¹⁹см ^-3 при гауссовому її розподілу. (домішка - бор). Глибина залягання p-n-переходу: х=1.5 мкм. Ширина контактного вікна L=3 мкм.

Дата попереднього захисту роботи „ 27 ” Січень 2021 р.

Завдання видав:

Керівник КР Жагловська О. М., к.т.н., доцент

каф. електроніки

„15” Вересня 2020 р.

Завдання отримав: студент Бровко Дмитро

„15” Вересня 2020 р.

Анотація

У даній курсовій роботі було проаналізовано параметри та характеристики дифузійного діода і структур їх будови. Розроблений масштабний ескіз конструкції дифузійного діода. Розроблений попередній технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода



Зміст

• дифузійний діод технологічний напівпровідник
• Вступ
• 1. Розробка ескізу конструкції дифузійного діода та технологічного маршруту його виготовлення
• 1.1 Виготовлення кристалічного кремнію
• 1.2 Плазмове та хімічне травлення
• 1.3 Фотолітографія
• 1.4 Введення домішок в напівпровідник за допомогою дифузії та іонної імплантації
• 1.5 Основні етапи технології виготовлення дифузійних діодів
• 1.6 Масштабний ескіз і технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода
• 2. Розрахунок режимів технологічних операцій при виготовленні дифузійного діода
• 2.1 У вихідних даних поставлено завдання по розрахунку даних при формування дифузійного діода
• 2.2 Розрахунок параметрів дифузії домішок у підкладку дифузійного діода
• 2.3 Розрахунок електричних параметрів р-канального МДН - транзистора
• 3. Технологічне обладнання, що використовується для формування областей дифузійного діода
• 3.1 Іонна імплантація
• 3.2 Обладнання для проведення процесу іонної імплантації
• Висновки
• Список використаної літератури


Вступ

Актуальність курсової роботи: В даний час широкого розповсюдження набули інтегральні мікросхеми на основі дифузійних діодах через простоту виготовлення й достатньо високу продуктивність.

Використання діодів широко застосовується в електротехніці, електроніці та радіотехніці. З різноманітними призначеннями все залежить від їх характеристик та призначень. Властивості діодів проводити струм лише в одному напрямку має різноманітніші варіації використання в техніці так і інших сверах.

Мета курсової роботи: розробка оптимального технологічного маршруту для виготовлення дифузійного діода.

Основними завданнями курсової роботи є:

Аналіз теоретичної бази та дослідження дифузійного діода, властивостей, основних параметрів, будови та конструкції;

Побудова масштабного ескізу за вихідними даними і створення технологічного маршруту;

Розрахунок параметрів та характеристик дифузійного діода. Опис технологічного обладнання для виготовлення дифузійного діода.Предметом дослідження є: технологічні операції та особливості при виготовлення дифузійного діода.

Структура курсової роботи

Курсова робота складається з трьох розділів. В першому розділі наведено конструкцію дифузійний діод, а також його маштабний ескіз і маршрут виготовлення. У другому розділі розрахований технологічний процес дифузійного діода, параметри дифузії при формування робочих областей транзистора і його топологія. У третьому розділі проаналізовано технологічне обладнання для формування дифузійного діода.



1. Розробка ескізу конструкції дифузійного діода та технологічного маршруту його виготовлення

1.1 Виготовлення кристалічного кремнію

Існує 4 типи кремнію: технічний (дуже велика кількість домішок інших матеріалів), полікристалічний, монокристалічний кремній сонячної якості (для сонячних батарей), монокристалічний кремній електронної якості (найбільш чистий кремній для виготовлення мікросхем. Кількість домішок не більше 0.0000001%). Про відмінності між зазначеними типами кремнію.

Спочатку одержують технічний кремній, потім очищуючи його отримують полікристалічний кремній сонячної, або електронної якості. З полікристалічного кремнію вирощують кристали монокристалічного кремнію. Про виготовлення технічного та полікристалічного кремнію. За методом Чохральського вирощують злитки монокристалічного кремнію діаметром 300 та 450 мм та довжиною кілька метрів.

Створення розплаву кремнію у методі Чохральського відбувається за допомогою індукційної плавки, коли резервуар (тигель) з подрібненим полікристалічним кремнієм поміщають у потужне змінне електромагнітне поле, створене котушкою-індуктором. Змінне електромагнітне поле наводить у кремнії вихрові струми, які розігрівають його, що приводить до розплавлення матеріалу. Подібним чином одержують розплави металів.

Злиток монокристалічного кремнію високої чистоти, одержаний шляхом вирощування за методом Чохральського, механічним способом доводять до однакового діаметру по всій довжині та розрізають на тонкі кремнієві пластини (підкладки), діаметр яких дорівнює діаметру злитку (300, або 450 мм), а товщина складає 0.775 мм для 300 мм пластин та 0.925 мм для 450 мм пластин. Процес розрізання кристалу на пластини відбувається за допомогою надтонких (діаметр 100-200 мкм) металічних тросів з абразивним покриттям (мікроскопічними діамантовими крихтам.

Після розрізання поверхня пластини покрита мікронерівностями, які згладжуються шляхом шліфування та полірування.

Під час проведення технологічних операцій по виготовленню мікросхем (нанесення фоторезисту, вирощування шару оксиду, нанесення плівок металів, введення домішок і т.д.) поверхня кремнієвої пластини має бути ідеально чистою та вільною від всіх можливих типів забруднень, оскільки попадання забруднень в структуру мікросхеми значно погіршує її конструктивні та електричні характеристики. Перед кожною технологічною операцією поверхню кремнієвої пластини очищають, а самі операції проводять у надчистих приміщеннях вільних від пилу і бруду.

Шар оксиду кремнію на поверхні кремнієвої пластини відіграє захисну та ізолюючу функції під час виконання технологічних операцій виготовлення мікросхем, а також функцію тонкого діелектрику під затвором МДН транзисторів. Шар провідного полікристалічного кремнію виконує функцію затвору в польових МДН транзисторах та роль провідників першого шару міжз'єднань. За допомогою провідників з полікремнію можуть сполучатися сусідні транзистори логічних вентилів.

За допомогою процесу епітаксії на напівпровідниковій підкладці можна виростити шар монокристалічного кремнію, який повторює орієнтацію кристалічної гратки. При цьому, вирощений епітаксіальний шар може мати інший тип провідності ніж підкладка, що досягається за рахунок введення домішок донорів чи акцепторів під час епітаксії. Концентрація домішок у створеному епітаксіальному шарі буде однакова в будь якій його області (на відміну від введення домішок шляхом дифузії, чи іонної імплантації).

1.2 Плазмове та хімічне травлення

Технологічний процес травлення використовується для видалення з поверхні підкладки областей раніше нанесеного оксиду кремнію, фоторезисту, металу, або іншого матеріалу. Травлення оксиду кремнію, металу та інших матеріалів відбувається через маску (трафарет) з фоторезисту, внаслідок чого видаляються лише участки не захищені фоторезистом. Травлення в рідких травниках (кислотах) має той недолік, що кислоти виконують травленння (видаляють матеріал) в усіх напрямках, що приводить до підтравлювання під маску з фоторезисту, внаслідок чого геометрія витравлених в оксиді кремнію вікон не співпадає з запланованою. Для видалення матеріалу лише у вертикальному напрямку використовують анізотропне травлення у плазмі.

1.3 Фотолітографія

Фотолітографія є одним з основних етапів виготовлення мікросхем, оскільки з її допомогою створюють вікна в оксиді кремнію через які вводять домішки в кремнієву пластину, або зтравлюють залишки раніш нанесеного металу, формуючи з'єднувальні провідники. Загалом фотолітографія дозволяє створити вікно у фоторезисті, через яке до кремнієвої пластини, не закритої фоторезистом, можна застосувати будь-яку технологічну операцію (введення домішок, нанесення тонких плівок, епітаксія, тощо).

Фотолітографія складається з наступних етапів:

- нанесення фоторезисту на кремнієву пластину;

- засвічування фоторезисту (експонування) за допомогою лазера або джерела ультрафіолетового світла через маску (фотошаблон);

- видалення засвічених (для позитивного фоторезисту), або незасвічених (для негативного фоторезисту) областей фоторезисту шляхом його проявлення та промивки;

- травлення матеріалу через вікна у фоторезисті;

- видалення фоторезисту.



1.4 Введення домішок в напівпровідник за допомогою дифузії та іонної імплантації

Введення домішок в області кремнієвої пластини через отвори в оксиді кремнію, створені за допомогою фотолітографії, виконують за допомогою технологічних операцій дифузії та іонної імплантації.

Цікавим прикладом введення домішок є використання так званого spin-on glass. Саме подібний підхід буде застосовано в даній лабораторній роботі. Перевагою spin-on glass є простота технологічного процесу та нижча вартість обладнання/реактивів у порівнянні з дифузійними печами. Spin-on glass являє собою розчин оксиду кремнію з високою концентрацією домішок певних речовин (миш'як, бор, фосфор, тощо).

На поверхню кремнієвої пластини spin-on glass наносять за допомогою центрифуги (майже так само, як фоторезист). Кремнієву пластину розкручують до високих обертів (3000-5000 об/хв), дозатором подають кілька крапель spin-on glass. Під дією відцентрової сили spin-on glass рівномірно розподіляється по поверхні пластини. Подібним чином можна нанести шар spin-on glass товщиною порядку 2000 Ангстрем. Далі пластину висушують, а потім нагрівають до високої температури, внаслідок чого відбувається дифузія домішок зі spin- on glass в кремнієву пластину. Залишки spin-on glass видаляють з використанням плавікової кислоти HF.



1.5 Основні етапи технології виготовлення дифузійних діодів

Приклад планарної дифузійної технології виготовлення діодів:

Рисунок 1.1 зображення планарного прикладу технології виготовлення діодів

1.6 Масштабний ескіз і технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода

На рисунку 1.1 зображений масштабний ескіз діода виконаний на міліметровому папері.

Рисунок 1.2 Масштабний ескіз конструкції структури діода

Технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода складається з переліку таких операцій:

1. Вибір підкладки: р - тип, КДБ-10 (N=10¹⁵cм-³), кристалографічна орієнтація поверхні (100).

2. Окислення: T=950^oC, в атмосфері O₂+H₂O.

3. Фотолітографія 1. Вскриття вікон в фоторезисті під пази:

· Іонне легування Бором: , ;. Формування пазів;

· Видалення фоторезиста: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

· хімічна обробка: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

· Нанесення чутливої плівки;

· хімічна обробка контактних вікон: «КАРО»;

· окислення: T=950^oC, в атмосфері O₂+H₂O;

· видалення Si₃N₄: H₃PO₄;

· стравлювання SiO₂: буферний травник;

· хімічна обробка: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

· окислення: T=950^oC, в атмосфері O₂+H₂O;

· хімічна обробка: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

· окислення: T=950^oC, в атмосфері O₂+H₂O;

4. Фотолітографія 2. Створення маски для іонного легування областей n⁺ -cтік/витік:

· іонне легування фосфором, формування n⁺ - cтік/витік: ,;

· видалення фоторезисту: «ПХ»+«КАРО» (плазмохімічне);

· хімічна обробка: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂).

5. Фотолітографія 3. Створення маски для травлення контактних вікон до полікремнію n⁺ - cтік/витік:

· травлення ФСС (фосфорно-силікатне скло): буферний травник;

· РІВ (реактивно - іонне витравлення) ФСС (фосфорно - силікатне скло);

· видалення фоторезиста: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

· хімічна обробка: «КАРО» (в розчині Н₂SO₄+ Н₂O₂);

обробка контактних вікон;

· напилення металу: Al+1%Si;

6. Фотолітографія 4. Створення розводки з металу:

· реактивно - іонне витравлення металу;

· видалення фоторезисту: ПХ (плазмохімічне);

· хімічна обробка: ЕКС;

· осадження SiO₂: Т=200^оС;

· осадження Si_xN_yO_z: Т=200^оС;

7. Фотолітографія 5. Створення контактних вікон пасивації:

· РІВ пасивація;

· видалення фоторезисту: ПХ (плазмохімічне);

· хімічна обробка: ЕКС;

· вжигання металу: Т=400^оС;

· нанесення ізолюючого шару.

Таблиця 1.1

Технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода

№ п/п	Технологічна операція	Режим обробки	Примітки
1	Окислення	T=950oC, в атмосфері O2+H2O
2	Фотолітографія 1. Вскриття вікон в фоторезисті під пази
3	Іонне легування Бором. Формування пазів
4	Видалення фоторезиста	«КАРО» (Н2SO4+ Н2O2)
5	Хімічна обробка	«КАРО»
6	Нанесення чутливої плівки	BaF2 або MgF2
7	Окислення (формування польового окису)	Т=950оС, в атмосфері O2+H2O
8	Стравлювання SiO2	Буферний травник
9	Хімічна обробка	«КАРО»
10	Окислення	Т=950оС, в атмосфері O2+H2O
11	Хімічна Обробка	«КАРО»
12	Окислення	T=950oC, в атмосфері O2+H2O
13	Хімічна обробка	«КАРО»
14	Фотолітографія 2. Створення маски для іонного легування областей n+ - cтік/витік
15	Іонне легування фосфором. Формування n+ - cтік/витік
16	Видалення фоторезисту	«ПХ»+«КАРО» (плазмохімічне)
17	Хімічна обробка	«КАРО»
18	Фотолітографія 3. Створення маски для травлення контактних вікон до полі кремнію и n+ - cтік/витік
19	Травлення ФСС (фосфорно-силікатне скло)	Буферний травник	(по SiO2)
20	РІВ ФСС		(по SiO2)
21	Видалення фоторезисту	«КАРО»
22	Хімічна обробка	«КАРО»
23	Обробка контактних вікон
24	Напилення металу	Al+1%Si
25	Фотолітографія 4. Створення розводки з металу
26	РІВ металу
27	Видалення фоторезисту	ПХ видалення (плазмохімічне)
28	Хімічна обробка	ЕКС
29	Осадження SiO2	Т=200оС
30	Осадження SixNyOz	Т=200оС
31	Фотолітографія 5. Створення контакнтих вікон пасивації
32	РІВ пасивація
33	Видалення фоторезиста	ПХ видалення (плазмохімічне)
34	Хімічна обробка	ЕКС
35	Вжигання металу	Т=400оС
36	Нанесення ізолюючого шару

Далі перейдем до розрахунку режимів технологічних операцій.



2. Розрахунок режимів технологічних операцій при виготовленні дифузійного діода

2.1 У вихідних даних поставлено завдання по розрахунку даних при формування дифузійного діода

Прискорююча напруга використовується при процесі іонного впровадження, яку ми знаходимо, а саме прискорюючу напругу Е, дозу N і розкид Д R_p.

Прискорююча напруга використовується при процесі іонного впровадження, яку ми знайдемо з умови, при якій легуюча домішка ¹¹B⁺, а напруга живлення U = 3 В. Формула для розрахунку:

де n - кратність іонізації (n = 1), e - заряд електрона.

Підставимо відомі дані і проведемо розрахунок:

Дозу іонів визначають як кількість частинок на одиницю площі:

де для n = 1, кількість частинок кількість частинок Q = 6,25 * 10¹²

Результат підстановки дасть наступний результат:

Розрахунок розкиду іонів при легуванні домішкою можна зробити за наступною формулою:



де М₁ = 10,811 (г/моль), М₂ = 28,0855 (г/моль) - атомна маса іона (¹¹В⁺) і маса атома мішені (Si) відповідно, - втрати ядерного зіткнення в залежності від енергії, с - довжина пробігу енергії іона, е - безрозмірна величина енергії, R_p - середній пробіг.

Для розрахунку, потрібно розглянути додаткові формули для знаходження результату основної формули (2.3).

де В - поправка, зв'язана із розсіюванням іонів на ядрах атомів:

звідси е - величина, що може бути апроксимована як:

де c = 0,45, d = 0,3, k_e - величина, що визначає нахил кривих відносно осі:



де Z₁ = 5, Z₂ = 14 - атомні номери іона (¹¹В⁺) і мішені (Si) відповідно.

де а - радіус екранування:

де a₀ - радіус Бора, дорівнює 0,529 (Е).

Підставимо усі відомі нам значення у вирази в певній послідовності, і знайдемо Д R_p:

2.2 Розрахунок параметрів дифузії домішок у підкладку дифузійного діода

Основою дифузійного процесу в кристалі є елементарні переходи атомів із одного положення рівноваги в інше по регулярності послідовності вузлів кристалічної решітки, а також із використанням структурних дефектів, що є енергетично вигідними для атомів.

Слід враховувати, що на кордоні розділу двох фаз кремній - окисел спостерігається перерозподіл домішки, що залежить від коефіцієнту сегерації домішки, тобто відношення рівноважних розчинних домішок в кремнії та окислі при певній температурі. Для різних домішок коефіцієнт сегерації різний, і для бору він дорівнює m = 0,3, тому значна частина домішки йде в окисел. Це необхідно враховувати при розрахунку розподілу.

Для того, щоб зобразити графічно залежність концентрації різних легуючих елементів з глибиною при дифузії їх у кремній протягом певного часу t, а також знайти глибину залягання домішки застосовують наступні співвідношення:

Діапазоні температур, що використовуються в експерименті, коефіцієнт дифузії зазвичай рахується за допомогою рівняння Ареніуса:

де k = 8,625 * 10^-5 еВ/К - постійна Больцмана, Т - температура, D₀ - передекспоненціальний множник см²/с, E_A - енергія активації дифузії.

Концентрація легуючого елемента при дифузії їх у кремній розраховується за формулою:

де N₀ - початкова концентрація домішки, D - коефіцієнт дифузії, х - глибина залягання домішки, t - час впровадження домішки.

При зміні температури акцепторні рівні вакансій зсуваються. Із цією цілю вводиться ширини забороненої зони кремнію:

де Е_g0 = 1,34 еВ, b = 4,5 * 10^-4 еВ/К. Це співвідношення справедливе в температурному інтервалі від 700 до 1200 ?. Причому величина Е_g0 не має фізичного сенсу і не зв'язана із шириною забороненої зони, при абсолютному нулі рівна 1,17 еВ.

Рівень Фермі у напівпровіднику дорівнює:

де m_p = 0,33 і m_n = 0,55 - ефективні маси електронів і дірок кремнію.

Власна концентрація носіїв сильно залежить від температури:

Отже, перейдемо до розрахунку на основі вихідних даних, а також побудови графіків залежностей за результатами обчислень.

Рівень Фермі у напівпровіднику буде мати наступні значення:

Таблиця 2.1

Зміна енергії рівня Фермі у напівпровіднику в залежності від температури при дифузії

T, ?	700	750	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150	1200
Ei, еВ	0,647	0,645	0,644	0,642	0,64	0,639	0,637	0,635	0,634	0,632	0,63

Побудуємо графік залежності на основі результатів:



Рисунок 2.1 Графік залежності рівня Фермі напівпровідника (Е_і) від температури (Т) на основі даних розрахунків із таблиці 2.1[15]

Ширина забороненої зони напівпровідника в залежності від температури матиме такий вигляд:

Таблиця 2.1

Зміна енергії рівня Фермі у напівпровіднику в залежності від температури при дифузії

T, ?	700	750	800	850	900	950	1000	1050	1100	1150	1200
Ei, еВ	0,647	0,645	0,644	0,642	0,64	0,639	0,637	0,635	0,634	0,632	0,63

Зобразимо графічно залежність концентрації бору з глибиною при дифузії їх у кремній протягом 1 години при початковій концентрації N₀, якщо дифузія відбувається при різних температурах Т.

У даному розрахунку будемо використовувати наступні дані: елемент дифузії - Бор (В), передекспоненціальний множник - D₀ = 25 см²/с, енергія активації дифузії - E_А = 3,51 еВ, температура - Т = 1100, початкова концентрація домішки N₀ = 5*10¹⁶ см^-3, час дифузії - t = 3600 c.

Розрахуємо коефіцієнт дифузії за формулою 2.11 і отримаємо наступне значення:

Дізнавшись результат розрахунку коефіцієнта дифузії, знайдемо залежність концентрації домішки від глибини х, котру будемо змінювати в діапазоні значень від 0…750 нм:

N*1016, см-3	5	4,95	4,84	4,64	4,39	4,08	3,73	3,35	2,97	2,59	2,22	1,87	1,5	1,26	1,01	0,8
х*10-5, см	0	0,5	1	1,5	2	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7	7,5

Рисунок 2.2 Графік залежності концентрації домішки від глибини



2.3 Розрахунок електричних параметрів р-канального МДН - транзистора

Для розрахунку будемо використовувати такі загальні дані:

q = 1,62 * 10^-19 Кл - заряд електрона, е₀ = 8,85 * 10^-14 Ф/см діелектрична проникність, е = 11,9 - відносна проникність Si, е_d = 3,4 - відносна проникність діелектрика, Е_s = 1,5 * 10⁴ В/см - поздовжне електричне поле в каналі, V_t = - 0,8 В - порогова напруга.

Розрахуємо напругу зімкнення, В:

де q - заряд електрона, _f = 0,38 В - потенціал рівня Фермі, N_g - концентрація домішки в затворі, L_k - довжина каналу

Знайдемо питому ємність «стік-канал», Ф:

де = 4 - діелектрична проникність діоксиду кремнію, d_ок = 1,2 * 10^-5 см- товщина підзатворного окислу.

Ширина збідненого шару в каналі при U = 0 знаходиться за формулою:



Щільність заряду нескомпенсованих іонізованих атомів домішок в підкладці, Кл/см²:

Щільність заряду на з'єднанні діелектрик-напівпровідник, Кл/см²:

де N_p - концентрація домішки в підкладці.

Крутизна, А/В:

де =0,15 м²•В^-1•с^-1-- рухомість електронів в каналі, U_жив - напруга живлення, U_пор - порогова напруга, Х_jp - глибина області р-підлегування, L - довжина підкладки, Н - товщина підкладки.

Паразитна ємність затвора, Ф:



де Н_g - товщина р⁺ затвору.



3. Технологічне обладнання, що використовується для формування областей дифузійного діода

3.1 Іонна імплантація

Після усіх попередніх процесів при створення МДН транзистора, формують основні області провідності шляхом іонної імплантації.

Іонною імплантацією називають процес впровадження в мішень (напівпровідник) іонізованих атомів з енергією, достатньою для проникнення в її поверхневі області. Найбільш загально вживаним використанням іонної імплантації є процес іонного легування кремнію при виготовленні приладів. Цей процес складається із наступних операцій: іонної імплантації (впровадження) і термічної обробки, необхідної для усунення дефектів кристалічної структури і створення області із заданим законом розподілу легуючої домішки і визначеною геометрією. Нагрів при термічній обробці (модифікації) можна здійснювати окрім звичайних методів і методами поверхневої дії (епітермічної обробки) за допомогою лазерного, фотонного, електронного й інших видів променевого впливу.

Енергія легуючих іонів бору, фосфору або миш'яка в діапазоні 3 - 500 кеВ достатня для їх імплантації в поверхневу область кремнієвої підкладки на глибину 10 - 1000 нм. На цій глибині атоми розташовані під будь-якими поверхневими шарами природного окислу товщиною до 3 нм, а отже, при впровадженні домішки відсутні всякі бар'єрні ефекти, пов'язані з наявністю поверхневих окислів. Глибина залягання імплантованої домішки, яка пропорційна енергії іонів, може бути вибрана виходячи із вимог визначеного використання імплантованої структури.

Основною перевагою технології іонної імплантації є можливість точного керування кількістю впроваджених атомів домішки. Потрібну концентрацію легуючої домішки у кремній в діапазоні 10¹⁴ - 10²¹ см^-3 отримують після відпалювання мішені (нагріву до вибраної температури в інтервалі 600 - 1000 ?). Окрім того, можна легко керувати профілем розподілу впроваджених іонів відносно глибини підкладки.

Керування концентрацією легуючої домішки в діапазоні 10¹⁴ - 10¹⁸ см^-3 іонна імплантація має явну перевагу над методами хімічного осадження. Маски для іонної імплантації можуть бути виготовлені із будь-яких матеріалів, що використовуються при виробництві надвеликих інтегральних схем, таких як фоторезист, окисли, нітриди, полікристалічний кремній і т.п. Процес іонної імплантації, що проводиться у вакуумі, відноситься до категорії «чистих і сухих процесів».

3.2 Обладнання для проведення процесу іонної імплантації

У даному пункті будуть розглянуті питання, що стосуються використання прискорювачів іонів і приладів для точного керування дозою імплантованих іонів.

Рисунок 3.1 Схема типової промислової установки іонної імплантації DF - 3000 фірми Variant Extrion

1 - газове джерело; 2 - блок живлення джерела іонів; 3 - джерело іонів; 4 - магнітний аналізатор іонів по масі; 5 - прискорююча трубка; 6а - пластини, що відхиляються y; 6б - пластини, що відхиляються х; 7а - пластина (положення мішені); 7б - пастка Фарадея; 7в - механізм переміщення підложки; 8 - дифузійний насос джерела іонів; 9 - іонний промінь; 10 - апертурна діафрагма; 11 - дифузійні насоси каналів пучка в прийомній камері.

На рисунку 3.1 схематично зображена промислова установка для проведення процесу іонної імплантації. Вона складається з наступних компонентів:

1. Газове джерело відповідної речовини, такої як BF₃ або AsH₃, що знаходиться під високою напругою. Регулюючий вентиль, що керує потоком газу, направленого до джерела іонів.

2. Блок живлення іонного джерела, який також знаходиться під високою напругою.

3. Джерело іонів, що містить іонну плазму частинок ⁺As₇₅ ⁺B₁₁ або ⁺BF²49 при тиску ~ 1 Па. Дифузійний насос для створення низького тиску, що забезпечує переміщення іонів в пучку із малим розсіюванням іонного газу.

4. Магнітний аналізатор іонів по масі, який відбирає тільки потрібні частинки. Ці іонні частинки проходять через роздільну щілину (апертурну діафрагму) і потім потрапляють в прискорюючу трубку.

Рисунок 3.2 Схема формування растра іонного пучка, що включає апертурну щілину та мішень [17]

5. Прискорююча трубка, після проходження якої іонний пучок підготований до бомбардування мішені.

6. Відхиляючі пластини по осям х і у, до яких прикладено пилкоподібну напругу, для сканування іонного пучка і забезпечення однорідності впровадження іонів по площі мішені. (Для підтримання пониженого тиску на шляху проходження іонного пучка аби запобігти перерозподілу зарядів використовують дифузійні насоси канала пучка і приймальної камери.)

7. Камера мішені, що складається із апертурної діафрагми, пастки Фарадея і механізму переміщення підкладки.

На імплантовані кремнієві пластини часто наносять тонкі захисні покриття і товсті шари SiO² (маски). Заряд створений іонами в шарі SiO², може негативно вплинути на якість окислу, аж до виникнення електричного пробою в діелектричному шарі (е ~ 107 В/см). Для усунення цього явища використовують ряд методів. До них відносяться використання додаткового джерела електронів для нейтралізації позитивного заряду на поверхні окислу, створеного іонного пучка; нанесення тонких провідних шарів на окисел, що викликають надлишокову провідність SiO², і зміна рисунка окисної плівки шляхом розтину окремих областей кремнію (наприклад, у вигляді доріжок на пластині між кристалами)

У підсумку можна відмітити, що для проведення високоякісного процесу іонної імплантації важливою річчю є керування багатьма побічними негативними ефектами.



Висновки

Під час виконання курсової роботи було проведено такий обсяг робіт:

1. Проаналізовано параметри та характеристики дифузійного діода і структур, їх будову, конструкцію і основні режими виготовлення.

2. Розроблено масштабний ескіз конструкції дифузійного діода.

3. Розроблено попередній технологічний маршрут виготовлення дифузійного діода.

4. Розроблено повний технологічний маршрут дифузійного діода.

5. Розраховано технологічні операції, що відбуваються при створенні дифузійного діода, а саме:

- прискорюючу напругу Е = 4,8 * 10^-19 В/с;

- дозу N = 3,906 * 10³¹ іон/см²;

- розкид ДRp = 6,202 * 10^-8 нм;

- отримано максимальну концентрацію домішки на глибині 750 нм;

- розраховано зміну енергії рівня Фермі у напівпровіднику в залежності від температури при дифузії;

- розраховано зміну ширини забороненої зони в залежності від температури при дифузії;

- напругу зімкнення U_см = 6,9 * 10^-2 В;

- питому ємність стік-канал С_g = 2,95 * 10^-8 Ф;

- щільність заряду на з'єднанні діелектрик-напівпровідник Qp = 2,4*10^-4 Кл/см².

6. Проаналізовано технологічне обладнання для формування дифузійного діода.



Список використаної літератури

1. Хоровиц П. Исскусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл. Москва: Мир, 1993. 371 с. (4).

2. Белов А. В. Конструирование устройств на микроконтроллерах / А. В. Белов., 2005.

3. «Цифрова схемотехніка» [Електронний ресурс]: навч. посіб. для студ. спеціальності 163 - «Біомедична інженерія», спеціалізації «Клінічна інженерія»/ КПІ ім. Ігоря Сікорського; уклад. В. І. Зубчук, М Делавар-Касмаі. Електронні текстові данні (1 файл 2.84 Мбайт). Київ: КПІ ім.Ігоря Сікорського», 2019. 184 с.

4. Твердотільна електроніка. Мікросхемотехніка: конспект лекцій / укладачі: О. М. Кобяков, А. С. Опанасюк, І. Є. Бражник, О. А. Любивий. Суми: Сумський державний університет, 2015. 109 с.

5. Корсунский В. М. Наноэлектронная элементарная база информатики на основе полупродников и ферромагнетиков [Електронний ресурс] / В. М. Корсунский, И. Д. Войтович // Интуит. 2014. Режим доступу до ресурсу: https://intuit.ru/studies/courses/12180/1173/lecture/19626.

6. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. 5-е изд., стер. М.: Высшая шкoла, 1998. 542 с.

7. Парфенов О. Д. Технология микросхем. М.: Высш.шк., 1986. 510 с.

8. Crosslight / TCAD tutorial for semiconductor process: [Электрон. ресурс]. Режим доступу: http://www.crosslight.com/applications/CMOS.shtml

9. Crossligh/ TCAD tutorial for semiconductor process: [Электрон. ресурс]. Режим доступу: http://www.crosslight.com/applications/maskeditor.pdf.

10. Crosslight/ TCADSimulation of CMOS image sensor: [Электрон. ресурс]. Режим доступу:

Размещено на Allbest.ru