2.2. Технологический процесс изготовления эпитаксиально – планарного транзистора Типы структур имс
Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура. Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.
В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния Si02, методом фотолитографии в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.
Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.
Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.
В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.
Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают от окисла и тщательно очищают (рис. 2.1), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния.
Рис. 2.1. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:
а — исходная пластина; б — стравливание окисла, подготовка поверхности; в — эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси; д — диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е — готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.
|
Оборудование, метод |
|
Пластина монокристаллического кремния с нанесенной окисью кремния. |
|
Нанесение диэл. маски, используя высокую температуру окисления и фотолитографию. |
|
Внедрение n+ путём эпитаксиальной планарной технологии и очистка от диэлектрика. |
|
С помощью газовой эпитаксии делаем наращивание слоя n. |
|
Используя процесс фотолитографии и плазмохимического наращивания, наносим диэлектрическую маску. |
|
С помощью ионной ВТД эмитации внедряем в п-тии атомы ??? элемента и очищающего от диэлектрика. |
|
Снова наносим диэлектрическую маску. |
|
Снова с помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Нанесение диэлектрика. |
|
С помощью ионной технологии внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Наносим диэлектрик. |
|
Нанесение металлической плёнки с помощью магнетронного распыления и снятие плёнки. |
Эпитаксиально-планарная структура со скрытым слоем. Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база – коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.
Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 2.2. В поверхностном окисном слое пластины p-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т.д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.
Рис. 2.2. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:
а—исходная пластина; б—вскрытие окон под диффузию скрытого слоя; в—диффузия n+-примеси, окисление поверхности; г—стравливание окисла, подготовка поверхности, д— эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений.
Транзистор на основе МДП-структуры
| |
|
С помощью плазмохимического осаждения и фотолитографии положим диэлектрич. Маску. |
|
С помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Используя высокую температуру окисления положим диэлектрическую маску. |
|
С помощью магнетронного распыления и фотолитографии наносим тонкое металлическое покрытие. |
2.2. Технологический процесс изготовления эпитаксиально – планарного транзистора Типы структур имс
Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура. Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.
В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния Si02, методом фотолитографии в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.
Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.
Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.
В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.
Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.
Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают от окисла и тщательно очищают (рис. 2.1), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния.
Рис. 2.1. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:
а — исходная пластина; б — стравливание окисла, подготовка поверхности; в — эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси; д — диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е — готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.
Схема структуры |
Оборудование, метод |
|
Пластина монокристаллического кремния с нанесенной окисью кремния. |
|
Нанесение диэл. маски, используя высокую температуру окисления и фотолитографию. |
|
Внедрение n+ путём эпитаксиальной планарной технологии и очистка от диэлектрика. |
|
С помощью газовой эпитаксии делаем наращивание слоя n. |
|
Используя процесс фотолитографии и плазмохимического наращивания, наносим диэлектрическую маску. |
|
С помощью ионной ВТД эмитации внедряем в п-тии атомы ??? элемента и очищающего от диэлектрика. |
|
Снова наносим диэлектрическую маску. |
|
Снова с помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Нанесение диэлектрика. |
|
С помощью ионной технологии внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Наносим диэлектрик. |
|
Нанесение металлической плёнки с помощью магнетронного распыления и снятие плёнки. |
Эпитаксиально-планарная структура со скрытым слоем. Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база – коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.
Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 2.2. В поверхностном окисном слое пластины p-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т.д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.
Рис. 2.2. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:
а—исходная пластина; б—вскрытие окон под диффузию скрытого слоя; в—диффузия n+-примеси, окисление поверхности; г—стравливание окисла, подготовка поверхности, д— эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений.
Транзистор на основе МДП-структуры
| |
|
С помощью плазмохимического осаждения и фотолитографии положим диэлектрич. Маску. |
|
С помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Используя высокую температуру окисления положим диэлектрическую маску. |
|
С помощью магнетронного распыления и фотолитографии наносим тонкое металлическое покрытие. |
2.2. Технологический процесс изготовления эпитаксиально – планарного транзистора Типы структур имс
Среди планарных структур, в которых использованы биполярные транзисторы, исторически более ранней является диффузионно-планарная структура. Функции изоляции в ней выполняют р-n-переходы, ограничивающие области отдельных элементов и смещенные в обратном направлении. Для получения обратного смещения в области подложки, разделяющей элементы формируется омический контакт, связанный с наиболее низким потенциалом источника питания, а к изолирующим областям резисторов с помощью контактов подводится высокий потенциал.
В качестве исходной заготовки используют пластину монокристаллического кремния, равномерно легированного акцепторной примесью (дырочная электропроводность). После того как на заготовку нанесен слой окиси кремния Si02, методом фотолитографии в этом слое избирательно вытравливают участки прямоугольной формы и через образовавшиеся окна путем термической диффузии вводят атомы примеси-донора. Процесс диффузии совмещают с термическим окислением кремния, в результате которого на поверхности вновь образуется сплошной слой окисла. Таким образом, одновременно создаются коллекторные области всех транзисторов, а также изолирующие области всех диодов и резисторов для всех кристаллов групповой пластины. Вторичным вскрытием окон меньших размеров в окисле и последующей диффузией примеси-акцептора формируют р-области, выполняющие роль базовых областей транзисторов, анодов диодов и резисторов. В результате очередного (третьего) цикла фотолитографии, диффузии и окисления получают области эмиттеров, катоды диодов, а также высоколегированные области для последующего создания омических контактов к высокоомным коллекторным и изолирующим областям.
Для создания межэлементных связей в слое окисла вновь вскрывают окна и плоскость пластины покрывают сплошной металлической пленкой (обычно алюминиевой). При этом в местах, свободных от окисла, образуется контакт с соответствующими областями кремния. Заключительный цикл фотолитографии (по пленке алюминия) позволяет создать систему межсоединений, а также контакты по периферии кристаллов. Эти контакты будут использованы для коммутации кристаллов с внешними выводами корпуса.
Планарный транзистор (независимо от типа структуры) имеет коллекторный контакт в одной плоскости с базовым и эмиттерным контактами. Вследствие этого коллекторный ток преодолевает протяженный горизонтальный участок дна коллекторной области (под дном базы), имеющий малые поперечные размеры.
В диффузионном коллекторе концентрация активной примеси распределена по глубине неравномерно: она максимальна на поверхности и равна нулю на дне коллектора, — поэтому слой коллектора под базой имеет высокое сопротивление, что увеличивает напряжение насыщения и время переключения транзистора.
Равномерное распределение примеси по толщине коллектора может быть получено с помощью процесса эпитаксиального наращивания кремния с дозированным количеством донорной примеси. Такой процесс применяют для создания эпитаксиально-планарной структуры.
Чтобы получить простейшую эпитаксиально-планарную структуру, в качестве исходной заготовки надо использовать монокристаллическую пластину кремния, равномерно легированную акцепторной примесью. Для нанесения эпитаксиального слоя на одну из сторон пластины ее освобождают от окисла и тщательно очищают (рис. 2.1), после чего проводят осаждение монокристаллического слоя кремния n-типа. Далее поверхность пластины окисляют и методом фотолитографии вскрывают окна в виде узких замкнутых дорожек, соответствующих контуру коллекторных и изолирующих областей ИМС. Проводя через окна диффузию акцепторной примеси до смыкания ее с р-областью, получают таким образом изолированные друг от друга островки равномерно легированного эпитаксиального n-кремния.
Рис. 2.1. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры:
а — исходная пластина; б — стравливание окисла, подготовка поверхности; в — эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; г — вскрытие окон в окисле под изолирующую (разделительную) диффузию примеси; д — диффузия акцепторной примеси, окисление поверхности; е — готовая структура после формирования диффузионных базовых и эмиттерных областей, а также получения межсоединений.
Схема структуры |
Оборудование, метод |
|
Пластина монокристаллического кремния с нанесенной окисью кремния. |
|
Нанесение диэл. маски, используя высокую температуру окисления и фотолитографию. |
|
Внедрение n+ путём эпитаксиальной планарной технологии и очистка от диэлектрика. |
|
С помощью газовой эпитаксии делаем наращивание слоя n. |
|
Используя процесс фотолитографии и плазмохимического наращивания, наносим диэлектрическую маску. |
|
С помощью ионной ВТД эмитации внедряем в п-тии атомы ??? элемента и очищающего от диэлектрика. |
|
Снова наносим диэлектрическую маску. |
|
Снова с помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Нанесение диэлектрика. |
|
С помощью ионной технологии внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Наносим диэлектрик. |
|
Нанесение металлической плёнки с помощью магнетронного распыления и снятие плёнки. |
Эпитаксиально-планарная структура со скрытым слоем. Здесь эпитаксиальный коллектор легируют умеренно (необходимую концентрацию примеси рассчитывают из условия пробоя перехода база – коллектор), а малое сопротивление коллектора обеспечивают параллельно включенным скрытым слоем (n+), имеющим высокую концентрацию примеси.
Начальные стадии технологического процесса получения эпитаксиально-планарной структуры со скрытым слоем приведены на рис. 2.2. В поверхностном окисном слое пластины p-типа вскрываются окна, через которые проводят диффузию примеси с высокой концентрацией. Для того чтобы избежать значительного проникновения примеси в эпитаксиальный коллектор при последующих циклах высокотемпературной обработки (разделительная диффузия, базовая диффузия и т.д.), подбирают примесь с малым коэффициентом диффузии (например, мышьяк). Далее поверхность освобождают от окисла и наращивают эпитаксиальный слой кремния n-типа. После окисления поверхности процесс обработки протекает по той же схеме, что и для структуры без скрытого слоя.
Рис. 2.2. Последовательность формирования эпитаксиально-планарной структуры со скрытым n+-слоем:
а—исходная пластина; б—вскрытие окон под диффузию скрытого слоя; в—диффузия n+-примеси, окисление поверхности; г—стравливание окисла, подготовка поверхности, д— эпитаксиальное наращивание n-слоя, окисление поверхности; е — готовая структура после разделительной диффузии, формирования базовых и эмиттерных областей, а также межсоединений.
Транзистор на основе МДП-структуры
| |
|
С помощью плазмохимического осаждения и фотолитографии положим диэлектрич. Маску. |
|
С помощью ВТД внедряем атомы ионирующего элемента и удаляем диэлектрик. |
|
Используя высокую температуру окисления положим диэлектрическую маску. |
|
С помощью магнетронного распыления и фотолитографии наносим тонкое металлическое покрытие. |
23. Поясните этапы формирования структуры имс по планарно-эпитаксиальной технологии
Планарно-эпитаксиальные ИМС аналогичны планарно-диффузионным. Однако их структуру создают методами эпитаксиального наращивания тонкого монокристаллического слоя кремния n-типа на относительно высокоомную пластину кремния р-типа и последовательной двойной локальной диффузии легирующих примесей в эпитаксиальный слой. Формирование локальных областей в полупроводниковом кристалле под элементы схемы определяется методом изоляции. Так, изоляция элементов p-n-переходами в планарно-эпитаксиальных ИМС достигается путем проведения односторонней селективной (разделительной) диффузии акцепторной примеси на всю толщину эпитаксиального слоя. При этом образуются локальные области эпитаксиального слоя с электропроводностью n-типа, окруженные со всех сторон изолирующими областями p-типа. Для формирования транзисторной структуры в этих областях используют только два последовательных процесса диффузии. Структура планарно-эпитаксиалъной ИМС с изолирующими р-n-переходами показана на рис. 3.2, а.
Планарно-эпитаксиальные ИМС с диэлектрической изоляцией отличаются тем, что в них элементы изолируются друг от друга с помощью диэлектрического материала, как показано на рис. 3.2, б. В данном случае в качестве диэлектрического материала наиболее часто применяют слои двуокиси кремния, нитрида кремния, карбида кремния, иногда стекло, керамику и другие диэлектрики. Подложкой при этом служит поликристаллический кремний, сапфир или керамика.
24. Сравните конструкции и основные параметры n-p-n биполярных транзисторов и транзисторов с барьером Шоттки
Кратко: для ответа необходимо зарисовать рисунки. Но этого недостаточно.
ИМС на биполярной транзисторной структуре
Большинство биполярных транзисторов изготовляют по планарной технологии со структурой n-p-n+-типа, хотя в некоторых случаях используют и транзисторы n-p-n-типа. Транзисторы n-p-n+-типа (коллектор — база — эмиттер) имеют улучшенные электрические характеристики по сравнению с транзисторами р-n-р-типа, что обусловлено рядом физических и технологических факторов.
Транзисторы классифицируют по способу изоляции и технологии изготовления (характеру примесного распределения), как это принято в классификации структур полупроводниковых ИМС. По способу изоляции различают структуры, изолированные р-n-переходом, диэлектрическим слоем и их комбинацией. По технологии изготовления независимо от способа изоляции транзисторы подразделяются на планарно-диффузионные, планарно-эпитаксиальные и изопланарные.
Планарно-эпитаксиальные транзисторы. Наиболее экономичной при массовом производстве ИМС является планарно-эпитаксиальная технология с изоляцией элементов р-n-переходом. Поэтому планарно-эпитаксиальные транзисторы являются наиболее распространенными для построения различных микросхем. Кроме того, транзисторы, изготовленные по планарно-эпитаксиальной технологии, обладают улучшенными параметрами и характеристиками по сравнению с планарно-диффузионными. Следует отметить, что планарно-эпитаксиальная технология помимо основных видов с изоляцией элементов p-n-переходом и диэлектриком имеет несколько модификаций; среди них наиболее перспективными считаются изопланарный процесс и технологический процесс, в котором изоляция элементов осуществляется при диффузии коллектора.
Планарно-диффузионные транзисторы с изоляцией р-n-переходом (рис. 3.7, а) изготовляют путем последовательного проведения локальной диффузии легирующих примесей для формирования коллекторной, базовой и эмиттерной областей (тройная диффузия) в пластину р-типа. Изолирующий р-n-переход создается в процессе формирования коллекторной диффузионной области. Особенностью планарно-диффузионных транзисторов является неравномерное распределение концентрации примеси в коллекторной области (рис. 3.8, а), а следовательно, неравномерное сопротивление тела коллектора, достигающее больших значений. Это проявляется в низком пробивном напряжении перехода коллектор — подложка и сильном влиянии подложки на электрические параметры данных транзисторов, что ограничивает их применение.
Планарно-эпитаксиальные транзисторы (рис. 3.7, б) изготовляют методом двойной диффузии. При этом базовая и эмиттерная области формируются локальной диффузией примесей в эпитаксиальный n-слой, предварительно выращенный на пластине кремния р-типа и являющийся коллектором, а изоляция р-n-переходом осуществляется локальной разделительной диффузией на всю глубину эпитаксиального слоя, по всему периметру транзистора перед формированием базовой и эмиттерной областей. Такие транзисторы имеют равномерное распределение примеси в коллекторе (рис. 3.8, б).
Для уменьшения сопротивления тела коллектора и степени влияния подложки в планарно-эпитаксиальных транзисторах создают скрытый n+-слой в коллекторе (рис. 3.7, в). Его получают дополнительной локальной диффузией донорной примеси, которая предшествует эпитаксиальному наращиванию. Наличие скрытого слоя связано с неравномерным распределением примесей в коллекторе (рис. 3.8, в), что приводит к образованию внутреннего статического электрического поля. Это поле тормозит движение неосновных носителей заряда (дырок), инжектированных из базы в коллектор в режиме насыщения. При наличии скрытого слоя избыточные неосновные носители заряда в режиме насыщения накапливаются в относительно высокоомной области коллектора, прилегающего к переходу коллектор — база. При этом подложка слабо влияет на распределение неосновных носителей в коллекторе, а следовательно, на параметры транзистора.
Планарно-эпитаксиальные транзисторы с диэлектрической изоляцией (рис. 3.7, г) изготовляют путем локальной диффузии для формирования базовой и эмиттерной областей в специальные «карманы» — локализованные однородно легированные n-области, предварительно изолированные друг от друга и поликристаллической подложки слоем диэлектрика, чаще всего — окислом кремния. Распределение примесей в таких транзисторах аналогично распределению у планарно-эпитаксиальных транзисторов с изоляцией р-n-переходом. Однако для данной структуры характерны малые потери в изоляции, минимальные значения удельного сопротивления коллекторной области, повышенные частотные свойства.
В транзисторах, изготовленных по технологии изолирующей диффузии коллектора, изолирующий р-n-переход создается глубокой диффузией примеси n-типа сквозь тонкий эпитаксиальный р-слой до смыкания со скрытым n+-слоем. Образовавшаяся замкнутая n-область является коллектором, а расположенная внутри нее р-область — базой транзистора, эмиттер создается локальной диффузией примеси n-типа в базовую область (рис. 3.7, д). Особенностью таких транзисторов является низкое удельное сопротивление коллекторной области, повышенный коэффициент усиления в инверсном режиме и пониженное напряжение пробоя коллекторного перехода.
В транзисторах, изготовленных по изопланарной технологии, изоляция достигается глубоким окислением эпитаксиального слоя кремния n-типа до смыкания окисла со скрытым слоем n+-типа. Часть эпитаксиального слоя, предварительно защищенная нитридом Si3N4, не подвергается окислению и служит коллекторной областью, в которой последовательной локальной диффузией формируются р-базовая и эмиттерная n+-области (рис. 3.7, е). В результате создаются планарно-эпитаксиальные транзисторы с комбинированной изоляцией: окислом и р-n-переходом.
Независимо от способа изготовления и изоляции для планарно-эпитаксиальных транзисторов специфичным является неравномерное распределение примесей в базовых и эмиттерных областях, характер которого определяет основные параметры и свойства транзисторов. После формирования структуры транзистора распределение диффундирующей примеси в каждой структурной области имеет вид, показанный на рис. 3.8. При этом распределение примеси в базовой области подчиняется функции Гаусса, а в эмиттерной оно близко к функции erfc. Однако на основные параметры транзистора определяющее влияние оказывает характер результирующего примесного распределения, определяемого как
где
— концентрация донорной примеси;
— концентрация акцепторной примеси.
В точках эмиттерного хэ и коллекторного хк металлургических переходов результирующая концентрация примесей равна нулю:
Такое неравномерное распределение результирующей примеси приводит к возникновению в транзисторной структуре внутренних статических электрических полей, напряженность которых определяют решением уравнения плотности токов для каждой структурной области.
Расчет профиля легирования примесей эпитаксиально-планарных транзисторов
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)-NA(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 хэо будет поверхность, на которой диффузионная донорная концентрация равна диффузионной акцепторной концентрации(5).
ND3(X3o)-Na(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
Nдэ (Хко*) — Na (хэо*) + Ndk = 0 ( 3)
а при определении металлургической границы коллекторного р-п перехода учитывать диффузионную составляющую донорной концентрации примеси
Nдэ(хк0*) + Ndk -NA(хко*) = 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 £ — текущая координата интегрирования; f(£) — 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) = Ns. Начальная концентрация во всем теле равна нулю. Решение задачи в этом случае для полуограниченного тела принимает вид [5]
N(x,t)
= Hgerf
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 Ns > 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) = Ns*(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) = Ns/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 = Ns*h, в процессе диффузии остается неизменным. Происходит перераспределение примеси по объему тела. Если толщину слоя Һ устремить к нулю, то получим распределение примеси при диффузии из бесконечно тонкого слоя в полуограниченное тело с отражающей границей. Если полагать, что с устремлением Һ 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. 1000о= 7 * 10-14. Коэффициент диффузии D при темп. 1200о = 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:
Ns=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
-
Линн Д., Мейер Ч., Гамильтон Д. Анализ и расчет интегральных схем. Перевод с англ., изд-во «Мир», Москва, 1969.
-
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.
-
Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Москва. Изд-во «Советское радио», 1971.
-
Dobkin R.C. New Developments in monolithic Op Amps. «Electronics World», 1970.
-
Кремниевые планарные транзиторы. Под ред. Федотова Я.А. Москва. «Советское радио», 1971.
-
Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. Перевод с англ. Под ред. Трутко А.Ф. Москва. «Энергия», 1973.
-
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.
-
Тсай К. Неглубокие диффузионные слои фосфора в кремнии. «ТИИЭР», 1969.
-
Новиков Б.В. Теоретические основы микроэлектроники. Москва. «Высшая школа», 1972.
-
Пикус Г.С. Основы теории полупроводниковых приборов.Москва. «Наука», 1965.
-
Колоссов А.А., Горбунов Ю.Н., Наумов Ю.Е. Полупроводниковые твердые схемы. Москва. «Советское радио», 1965.
-
Fuller C.S., Ditzenberger J.A. Diffusion of Donor and acceptor elements in silicon. «Journal of applied physics», 1956.
Разработка средств вычислительной техники | Эпитаксиально-планарная технология
Эпитаксиально-планарная технология используется для изготовления полупроводниковых ИМС малой и средней степени интеграции. Технологический процесс состоит из ряда операций:
1. Пластину кремния p-типа диаметром 60-100 мм толщиной 0,2-0,4 мм с удельным сопротивлением 1-10 Ом·см подвергают очистке и окислению.
2. Проводят первую фотолитографию, в результате в слое образуются окна, через которые методом диффузии вводят примесь сурьмы на глубину 1-2 мкм, вследствие чего образуется
—слойс поверхностным сопротивлением 15-50 Ом (рис. 84, а).
3. Удаляют слой , производят очистку пластин и эпитаксиальное наращивание n-слоятолщиной около 10 мкм с удельным сопротивлением 0,1 — 1,0 Ом·см, повторным окислением создают слой
и второй фотолитографией формируют окна, через которые вводят примесь бора, в результате чего образуются островки n-типа (рис. 84, б).
4. После третьего окисления и третьей фотолитографии вводят примесь бора на глубину около 3 мкм, в результате создается базовый p-слой с (рис. 84, в).
5. После четвертой фотолитографии проводят диффузию фосфора на глубину около 2 мкм, в результате получаются высоколегированные -области с
(рис. 84, г).
6. Проводят пятую фотолитографию, в результате которой образуются окна в пленке под контакты ко всем областям транзистора.
7. На всю поверхность пластины наносят алюминиевую пленку толщиной около 1 мкм. При этом в окнах, вскрытых в защитном оксиде, алюминий образует невыпрямляющие электрические контакты с кремнием.
8. Проводят шестую фотолитографию по алюминию для формирования пленочных соединений и внешних контактных площадок. В итоге получается структура, показанная ранее на рис. 54.
9. Вся поверхность пластины покрывается слоем . Проводят седьмую фотолитографию по пленке
для вскрытия окон к внешним контактным площадкам микросхемы.
10. После зондового контроля пластину разрезают на кристаллы.
Рис. 84. Фазы процесса фотолитографии
Всего при изготовлении ИМС по эпитаксиально-планарной технологии насчитывается более ста операций.
Эпитаксиальный транзистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Эпитаксиальный транзистор
Cтраница 1
Эпитаксиальный транзистор — транзистор, изготовленный путем напыления тонких пленок на поверхность полупроводниковой пластинки. Исходная пластинка обычно служит коллекторной областью будущего транзистора. Напыляя на одну из поверхностей этой пластинки поочередно тонкие слои подходящих веществ ( иногда в сочетании с диффузией необходимых примесей), создают слои, выполняющие роль базовой и эмиттерной областей. [1]
Недостатком эпитаксиальных транзисторов следует считать трудности получения однородных пленок на больших площадях. От этого недостатка свободен ламинарный транзистор, изготовленный методом тройной диффузии. Изготовление транзистора начинается получением из твердой фазы слоя п в исходном вы-сокоомном кремнии. Пластина подвергается предварительно осаждению пятиокиси фосфора на поверхность. Затем в печи в течение 50 ч проводится диффузия фосфора в кремнии. После диффузии область п сошлифовывают, оставляя тонкий слой — коллекторную область. Далее, на основе подготовленной пластины с коллектором начинается процесс изготовления планар-ного транзистора. [2]
В эпитаксиальных транзисторах рис. 11.32 г) исходный материал 2 берется с низким сопротивлением. [3]
В эпитаксиальных транзисторах распределение концентрации донорных примесей симметрично относительно середины канала, я перекрытие канала осуществляется со стороны верхнего и нижнего соединенных затворов. [5]
При изготовлении эпитаксиальных транзисторов так называемым комбинированным способом ( рис. 4.31, б) перед наращиванием эпитаксиального слоя в соответствующих местах в пластине создается диффузионный — слой. Этот способ позволяет пол учить транзисторы С t / к. [6]
Такой же тип зависимостей существует и для эпитаксиальных транзисторов. [7]
Эпитаксиальный метод можно использовать также для изготовления полностью эпитаксиальных транзисторов путем эпитаксиального выращивания коллекторной, эмиттерной и базовой областей. [8]
В настоящее время на многих предприятиях ведутся работы по созданию эпитаксиальных транзисторов, выпрямительных и управляемых диодов и других полупроводниковых приборов. [9]
Теперь, после того как мы проанализировали основные фазы производства, мы в качестве примера рассмотрим, каким образом изготовляют одну из наиболее распространенных разновидностей транзисторов-планарньш эпитаксиальный транзистор. [10]
Мы уже упоминали о том, что если использование эпитаксиальных пленок для изготовления маломощных низковольтных транзисторов внедрено достаточно широко, то применение эпитаксиального выращивания для создания мощных транзисторов с малым сопротивлением насыщения встретилось с серьезными трудностями, хотя в настоящее время уже начат выпуск ряда типов мощных эпитаксиальных транзисторов. Трудности, препятствующие использованию эпитаксиальных пленок в мощных приборах, связаны с дефектами, образующимися в пленках при их выращивании. В периодической литературе имеется очень много статей, посвященных изучению различного рода дефектов в эпитаксиальных пленках. [11]
Преимуществами такой структуры являются более низкие токи утечки между переходами, а также надежная и прочная конструкция, которая делает характеристики прибора менее зависимыми от условий окружающей среды. В табл. 11.1 приведены некоторые типичные параметры эпитаксиальных транзисторов. [12]
Технологический тип транзистора выбирается с учетом его специфических особенностей. Так, например, при низких частотах до 10 — 20 Мгц в широком диапазоне мощностей и токов во всех схемах могут применяться сплавные транзисторы, имеющие к тому же наиболее низкую стоимость. Специфической областью применения микросплавных и эпитаксиальных транзисторов следует считать высокочастотные переключающие схемы мультивибраторов и триггеров с непосредственными связями, однако следует иметь в виду их сравнительно высокую стоимость. Областью применения сплавно-диффузионных транзисторов являются высокочастотные резонансные и апериодические усилители, низковольтные скоростные генераторы импульсов и переключатели; конверсионных — генераторы и усилители радиопередающих устройств средних мощностей и средних частот, переключатели сравнительно больших токов и небольших напряжений при средних скоростях. [13]
Уменьшение удельного сопротивления коллектора снижает пробивное напряжение коллекторного перехода. Чтобы сохранить достаточно высоким напряжение / Кбодоп. Такой транзистор с промежуточным слоем между базой и коллектором называют эпитаксиальным транзистором ( рис. 3.39, а) так как для получения слоя 2 высокого сопротивления применяется так называемое эпитаксиальное наращивание полупроводника. В качестве химического соединения применяют хлориды германия. [15]
Страницы: 1 2