Микроэлектроника и функциональная электроника

Для создания заданного  распределения примесей в глубине  и на поверхности полупроводника проводится второй этап диффузии из ограниченного  источника. Этот процесс называется разгонкой примеси.

Локальную диффузию проводят в открытые участки кремния по методу открытой трубы в потоке газа - носителя. Температурный интервал диффузии для кремния составляет 950 - 1300 °С. Кремниевые пластины размещают в высокотемпературной зоне диффузионной печи. Газ - носитель в кварцевой трубе при своем движении вытесняет воздух. Источники примеси, размещенные в низкотемпературной зоне, при испарении попадают в газ - носитель и в его составе проходят над поверхностью кремния.

Источники примеси, применяемые в  производстве ИМС, могут быть твердыми: жидкими и газообразными. В качестве жидких источников используются хлорокись фосфора РОСlз и ВВrз. После установления температурного режима в рабочую зону печи поступает кислород, что способствует образованию на поверхности кремния фосфоро - и боросиликатного стекла. В дальнейшем диффузия проходит из слоя жидкого стекла Одновременно слой стекла защищает поверхность кремния от испарения и попадания посторонних частиц. Таким образом, в локальных участках кремния происходит диффузия легирующей примеси и создаются области полупроводника с определенным типом проводимости.

После первой фотолитографии проводится локальная диффузия донорной примеси  с малым коэффициентом диффузии (Аs, Sb) и формируется скрытый высоколегированный слой n⁺ глубиной около 2 мкм.

Примесь с малым коэффициентом диффузии необходимо использовать, чтобы свести к минимуму изменение границ скрытого слоя при последующих высокотемпературных технологических операциях. После этого с поверхности полностью удаляется слой окисла и пластина очищается. На очищенной поверхности кремния выращивается эпитаксиальный слой n-типа толщиной 10-15 мкм с удельным сопротивлением 0,1 - 10 Ом*см.

5 - снятие окисла и подготовка поверхности перед процессом эпитакси-ального наращивания;

6 - формирование эпитаксиальной структуры;

Эпитаксия представляет собой процесс роста монокристалла  на ориентирующей подложке. Эпитаксиальный слой продолжает кристаллическую решетку  подложки. Толщина его может быть от монослоя до нескольких десятков микрон. Эпитаксиальный слой кремния можно вырастить на самом кремнии. Этот процесс называется авто - или гомоэпитаксией. В отличие от авто-эпитаксии процесс выращивания монокристаллических слоев на подложках, отличающихся по химическому составу, называется гетероэпитаксией.

Эпитаксиальный процесс позволяет получать слои полупроводника однородные по концентрации примесей и с различным типом проводимости (как электронным, так и дырочным). Концентрация примесей в слое может быть выше и ниже, чем в подложке, что обеспечивает возможность получения высокоомных слоев на низкоомной подложке.

В производстве эпитаксиальные слои получают за счет реакции на поверхности подложки паров кремниевых соединений с использованием реакции восстановления SiCl₄, SiВг₄.

В реакционной камере на поверхности подложки в температурном диапазоне 1150 - 1270 °С протекает реакция

 

SiCl4+ 2Н2 <=> Si + 4 HС1,

(3.1)

 

в результате которой чистый кремний в виде твердого осадка достраивает решетку подложки, а летучее соединение удаляется из камеры.

Процесс эпитаксиального  наращивания проводится в специальных установках, рабочим объемом в которых является кварцевая труба, а в качестве газа-носителя используются водород и азот. Водород перед поступлением в рабочий объем многократно очищается от кислорода, паров воды и других примесей. При установившейся рабочей температуре в поток газа носителя добавляется хлористый водород и производится предварительное травление подложки. После этого вводятся в поток газа SiCl₄ и соответствующие легирующие примеси.

7 - окисление поверхности эпитаксиального слоя для создания защитной маски при разделительной диффузии;

8 - фотолитография для вскрытия окон под разделительную диффузию;

9 - проведение разделительной диффузии и создание изолированных карманов;

Разделительная диффузия проводится в две стадии: первая (загонка) -при температуре 1100-1150 °С, вторая (разгонка) - при температуре 1200-1250 °С. В качестве диффузанта используется бор. Разделительная диффузия осуществляется на всю глубину эпитаксиального слоя; при этом в подложке кремния формируются отдельные области полупроводника разделенные р-n переходами. В каждой изолированной области в результате последующих технологических операций формируется интегральный элемент.

10 -окисление;

11 - фотолитография для вскрытия окон под базовую диффузию;

12 - формирование базового слоя диффузией примеси р-типа.

Для проведения базовой  диффузии процессы очистки поверхности, окисления и фотолитографии повторяются, после чего проводится двухстадийная диффузия бора: первая при температуре 950-1000 °С, вторая при температуре 1150-1200 °С.

13 -окисление;

14 - фотолитография для вскрытия окон под эмиттерную диффузию;

15 - формирование эмиттерного слоя диффузией примеси n-типа;

Эмиттерные области  формируются после четвертой  фотолитографии Эмиттерная диффузия проводится в одну стадию при температуре около 1050 °С. Одновременно с эмиттерами формируются области под контакты коллекторов и нижние обкладки МДП-конденсаторов. В качестве легирующей примеси используется фосфор.

16 – фотолитография для вскрытия окон для травления окисла под МДП-конденсаторы.

Данный этап необходим  для создания тонкого окисла между  верхней и нижней обкладками конденсатора. Он получается травлением пассивирующего слоя до нужной толщины.

17 – формирование тонкого окисла в местах создания МДП-конденсаторов.

18 - фотолитография для вскрытия контактных окон;

19 - напыление пленки алюминия.

Соединения элементов  ИМС создаются металлизацией. На поверхность ИМС методом термического испарения в вакууме наносится  слой алюминия толщиной около 1 мкм. После  фотолитографии на поверхности ИМС остаются металлические соединения, соответствующие рисунку схемы. После фотолитографии металл обжигается в среде азота при температуре около 500°С.

20 - фотолитография для создания рисунка разводки и нанесение слоя защитного диэлектрика.

21 – фотолитография для вскрытия окон контактных площадок для последующего приваривания проводников.

 

4. Последовательность  расчета параметров биполярного  транзистора.

Исходные данные для расчета.

Максимальное напряжение на коллекторном переходе: U_кб = 1,5 В

Максимальный ток эмиттера: І_э = 4,5 мА

Граничная частота f_т = 500 МГц.

Дальнейший расчет проводится с помощью программы расчета  параметров биполярных транзисторов, результаты расчета, представленные ниже, были получены с помощью данной программы.

Расчет выполняется  в следующей последовательности.

1. По заданному максимально  допустимому напряжению U_кб определяют пробивное напряжение U_кб0 , которое должно быть хотя бы на 20% больше U_кб и учитывает возможные колебания напряжения питания, т.е. U_кб0=1,2 U_кб, в нашем случае U_кб0=1,8 В. Пробивное напряжение U_пр коллекторного перехода выбираем с коэффициентом запаса 3, это учитывает возможность пробоя по поверхности и на закруглениях коллекторного перехода. В нашем случае U_пр = 5,4 В.

По графику зависимости U_пр (N_дк) [1] , где N_дк – концентрация доноров в коллекторе, находят N_дк . В программе расчета значение концентрации находится численными методами. В нашем случае N_дк = 5·10¹⁷ см^-3. Данное значение слишком велико, т.к при таком значении возможно появление паразитного n-канала, поэтому уменьшим его до 10¹⁶ см^-3.

По графику зависимости  подвижности электронов от их концентрации [1] находят подвижность электронов. В нашем случае m_n = 1200 см²/(В·с).

2. Определяют характеристическую  длину распределения акцепторов L_а и доноров L_д:

 

( 4.1)

 

где х_jк – глубина коллекторного перехода. В нашем случае L_a = 0,374 мкм; L_д = 0,0748 мкм.

3. Для расчета ширины  ОПЗ (области пространственного  заряда) на коллекторном и эмиттерном  переходах предварительно вычисляют контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

 

( 4.2 )

 

где f_т – тепловой потенциал, равный 0,0258 В при Т=300 К.; n_i – концентрация собственных носителей заряда в кремнии (n_i » 10¹⁰ см^-3). В нашем случае f_к = 0,6771 В.

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе f_э рассчитывается аналогично f_к. В нашем случае f_э = 0,1809 В.

4. Рассчитывают ширину  ОПЗ, распространяющуюся в сторону  базы (Dх_кб) и в сторону коллектора (Dх_кк) при максимальном смещении коллекторного перехода U_кб :

 

	( 4.3 )
	( 4.4 )

 

где , e₀, e_н – соответственно диэлектрическая постоянная и относительная диэлектрическая проницаемость полупроводниковой подложки.

В нашем случае Dх_кб = 0,387 мкм, Dх_кк = 0,6656 мкм.

5. Выбираем ширину  технологической базы равной 1 мкм.

6. Определяем концентрацию  акцепторов на эмиттерном переходе:

 

Na(xjэ) = Nдкexp(Wб0/La)

( 4.5 )

 

В нашем случае N_a(x_jэ) = 1,338·10¹⁷ см^-3.

7. В результате высокой степени легирования эмиттера область объемного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближенно можно считать, что Dх_эб » Dх_э, где

 

( 4.6 )

 

В нашем случае Dх_э = 0,08858 мкм.

8. Расчитываем ширину активной базы:

 

Wба = Wб0 - Dхэ - Dхкб

( 4.7 )

 

В нашем случае W_ба = 0,4944 мкм.

Дальнейший  расчет транзистора включает вычисление площади эмиттерного перехода,

9. Расчет  минимальной площади эмиттерного  перехода осуществляется на основе критической плотности тока через эмиттерный переход.

 

( 4.8 )

 

где =const для Si (10⁷ cм/с)

В нашем  случае j_кр = 2811 А/см².

 

( 4.9 )

 

В нашем  случае S_е = 160,1 мкм².

10. Определим  емкость коллекторного перехода на основе граничной частоты транзистора.

Из  заданной частоты f_t, найдем емкость коллекторного перехода С_к

 

( 4.10 )

 

В нашем  случае С_к = 0,5 пФ

11. Найдем  площадь коллекторного перехода  как сумму площадей его донной и боковой частей. Причем донная часть площади составляет приблизительно 80% от общей его площади.

Рассчитаем площадь  донной части коллекторного перехода:

 

( 4.11 )

 

где V_k=V_kp

В нашем  случае S_{б дон} = 2734 мкм².

Исходя из полученного значения площади найдем площадь боковой части

коллекторного перехода:

 

( 4.12 )

 

в нашем случае S_б.бок = 719 мкм²

 

 

5. Последовательность  расчета параметров интегральных  резисторов.

Параметры, которые определяют сопротивление интегрального резистора, можно разделить на две группы:

1) параметры полупроводникового слоя:

толщина W;

характер распределения  примеси по глубине N(x);

зависимость подвижности  носителей заряда от концентрации m(N);

2)топологические параметры :

длина резистора l;

ширина резистора b.

Первая группа параметров оптимизируется для получения наилучших  результатов интегральных транзисторов. Именно для этого расчет транзисторов производится в первую очередь. Таким  образом, задача расчета резистора  сводится к выбору полупроводникового слоя, в котором будет создаваться резистор, и формы контактов и вычисления длины и ширины.

Воспроизводимость номинальных  значений сопротивления обычно равна 15-20% и зависит от ширины резистора. Так, при возрастании ширины от 7 до 25 мкм точность воспроизведения номинала возрастает с ±15 до ±18%.