Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт высоких технологий Кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Допускаю к защите Руководитель работы М.М.Фискина подпись « И.О.Фамилия » 20___ г. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИМЕСИ В КРЕМНИИ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ 1.008.00.00 обозначение документа Выполнил студент группы РДбз 20-1 Нормоконтролёр подпись подпись ПЗ Н.Р.Сороченко И.О. Фамилия М.М.Фискина И.О. Фамилия Курсовая работа защищена с оценкой Иркутск, 2023 г. Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ По курсу: ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Студенту: Сороченко Никите Романовичу Тема курсовой работы: «Расчет распределения примеси в кремнии». Исходные данные и варианты расчета находятся в методических указаниях по курсовой работе (вариант 2). № Акцепторна я примесь 2 B Донорна я примесь Т1 , К (для акцепторно й примеси) As 1420 Т2 , К t1, час (для (для акцепторно донорно й примеси) й примеси) 1450 1,8 t2, час (для донорно й примеси) 1,6 Рекомендуемая литература: 1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники : [Учеб. пособие для вузов] / Игорь Павлович Степаненко. - 2-е изд. . - М.: Лаб. базовых знаний, 2005. 488 с. : a-ил. - (Технический университет) 2. Технология материалов микро- и наноэлектроники / Л.В. Кожитов [и др.] . - М.: МИСИС, 2007. - 542 с. 3. Марголин, В. И. Физические основы микроэлектроники : учеб. для вузов по специальности "Проектирование и технология радиоэлектрон. средств" направления "Проектирование и технология электрон. средств" / В. И. Марголин, В. А. Жабрев, В. А. Тупик . - М.: Академия, 2008. - 398 с. Дата выдачи задания“19” февраля 2022 г. Задание получил Сороченко Н.Р. Дата предоставления работы руководителю“”2023 г. Руководитель курсовой работы:______________________ ФискинаМ.М. Содержание Введение ....................................................................................................................... 4 Интегральный биполярный транзистор .................................................................... 5 Расчет распределения примеси в базовой области биполярного транзистора ..... 9 Расчет распределения примеси в эмиттерной области биполярного транзистора ..................................................................................................................................... 11 Определение ширины базы биполярного транзистора ......................................... 13 Заключение ................................................................................................................ 14 Приложение (график зависимости коэффициента диффузии от температуры). 15 Список использованных источников ...................................................................... 16 3 Введение Роль микроэлектроники в современной науке и технике трудно переоценить. Она справедливо считается катализатором научно-технического прогресса. Спектр ее применения простирается от фундаментальных исследований до прикладного использования. Микроэлектроника влияет на все народное хозяйство, но не непосредственно, а через целый ряд специфических отраслей, таких как вычислительная техника, информационно-измерительные системы, робототехника, микропроцессоры. Микроэлектроника, очередной исторически обусловленный этап развития электроники и одно из ее основных направлений, обеспечивает принципиально новые пути решения назревших задач. В основе развития электроники лежит непрерывное усложнение функций, выполняемых электронной аппаратурой. На определенных этапах становится невозможным решать новые задачи старыми средствами или, как говорят, на основе старой элементной базы, например с помощью электронных ламп или дискретных транзисторов. Основными факторами, лежащими в основе смены элементной базы, являются: надежность, габариты и масса, стоимость и мощность. Особенностью изделий микроэлектроники является высокая степень сложности выполняемых функций, для чего создаются схемы, в которых количество компонентов исчисляется миллионами. Отсюда ясно, что обеспечить надежность функционирования при соединении компонентов вручную - задача невыполнимая. Единственным способом ее решения является применение качественно новых высоких технологий. 4 Интегральный биполярный транзистор Биполярные транзисторы интегральных микросхем подразделяются на бескорпусные транзисторы (компоненты) гибридных микросхем и интегрированные в общей подложке транзисторы полупроводниковых микросхем. Полупроводниковые структуры бескорпусных транзисторов аналогичны структурам транзисторов того же назначения, заключенным в корпус. Структуры транзисторов полупроводниковых микросхем имеют существенные отличия. По технологическим и ряду других причин, связанных с электрофизическими параметрами полупроводниковых материалов, в микросхемах используют только кремниевые биполярные транзисторы. Наиболее широко применяют n-p-n транзисторы, так как вследствие большей подвижности электронов в базе они имеют лучшие электрические параметры более высокие граничные частоты и быстродействие. Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что биполярные транзисторы полупроводниковых микросхем содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и другими элементами микросхемы пленочными металлическими проводниками, формируемыми на той же поверхности (см. рисунок 1) Рисунок 1 – Структура и электрическая схема простейшей полупроводниковой микросхемы 1 – слаболегированная подложка p - - типа; 2 – изолирующие области из диоксида кремния К структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование – площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструкция и технология должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов и т.д.) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. Конструкции биполярных транзисторов различают прежде всего способами их изоляции. В первых микросхемах наибольшее распространение 5 получили эпитаксиально-планарные транзисторы с изоляцией p-n переходами (см. рисунок 2). Рисунок 2 – Структура эпитаксиально-планарного транзистора 1 – высокоомная подложка p- - типа; 2 – эпитаксиальный слой n-типа; 3 – скрытый слой n+ типа; 4 – изолирующая область p+ - типа; 5 – базовая область p-типа; 6 – эмиттерная область n+ - типа; 7 – коллекторная контактная область; 8 – пленка диоксида кремния; 9 – контактные отверстия; 10 – внутрисхемные проводники; 11 – боковые поверхности изолирующего p-n перехода; 12 – нижняя поверхность является границей области эпитаксиального слоя n-типа и скрытого слоя с подложкой; 13 – пассивные области базы; 14 – коллектор. Основное достоинство метода изоляции p-n переходом – простота технологии формирования изолирующих областей p+ - типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы (фотолитографию, диффузию примесей), что и для получения основных областей транзистора – базовой и эмиттерной. Однако изоляция p-n переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при повышении температуры и под воздействием ионизирующих облучений. Изолирующий переход вносит барьерную емкость, которая снижает граничную частоту аналоговых микросхем и увеличивает задержку переключения импульсных схем. Изолирующие области p+ - типа занимают значительную площадь кристалла (по сравнению с площадью основных областей транзистора), так как ширина lиз должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя Wэп. Биполярные транзисторы являются наиболее сложными элементами биполярных микросхем, так как их структура содержит наибольшее число областей с различным типом проводимости. Другие элементы (диоды, резисторы) создаются одновременно с транзисторами в едином технологическом процессе. Поэтому для них используют аналогичные полупроводниковые области, которые принято называть в соответствии с областями транзистора. Так на основе базового слоя получают резисторы. Эти элементы также размещают в специализированных карманах, т.е. изолируют от подложки тем же способом, что и транзисторы. 6 Наряду с биполярными транзисторами, изолированными p-n переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией (см. рисунок 3). Рисунок 3 – Структура транзистора с диэлектрической изоляцией Основные отличия структуры такого транзистора состоят в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков меньше, чем p-n перехода при обратном напряжении. Удельная емкость диэлектрической изоляции меньше, поскольку диэлектрическая проницаемость диоксида кремния приблизительно в 3 раза ниже, чем кремния, а толщина диэлектрического слоя может быть выбрана больше толщины изолирующего p-n перехода. Однако биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции. Их достоинством является повышенная радиационная стойкость. Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксидом кремния) и p-n переходом, смещенным в обратном направлении. Существует большое количество конструктивно-технологических разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией. Широкое распространение получили микросхемы, создаваемые по изопланарной технологии. Рисунок 4 – Структура изопланарного транзистора 7 Главное достоинство изопланарного транзистора по с равнению с эпитаксиально-планарным состоит в том, что при одинаковой площади эмиттерных переходов общая площадь изопланарного транзистора (с учетом площади изолирующих областей) меньше почти на порядок. Поэтому на основе изопланарных транзисторов можно создавать БИС и СБИС. Многоэмиттерные n-p-n транзисторы (МЭТ) отличаются от одноэмиттерных тем, что в их базовой области p-типа создают несколько эмиттерных областей n+ - типа. Эти транзисторы используют в микросхемах вместе с одноэмиттерными. Поэтому МЭТ изготовляют с помощью тех же технологических процессов, что и одноэмиттерные, а структура МЭТ содержит те же полупроводниковые слои и изолирующие области. Основная область применения МЭТ – цифровые микросхемы транзосторно-транзисторной логики (ТТЛ). Многоэмиттерный транзистор можно представить в виде совокупности отдельных n-p-n транзисторов, число которых равно числу эмиттеров (см. рисунок 5). Все базовые выводы этих транзисторов соединены между собой. Рисунок 5 – Многоэмиттерный транзистор Главной особенностью использования МЭТ в схемах ТТЛ состоит в том, что в любом состоянии схемы коллекторный переход МЭТ, включенного на ее входе, смещен в прямом направлении. 8 Расчет распределения примеси в базовой области биполярного транзистора Формирование базового слоя проводят диффузией из ограниченного источника акцепторной примеси алюминия (Al). На поверхность пластины наносят атомы акцепторной примеси при концентрации Q0=2,25x1013 атом\см2 , которая в процессе нагревания распределяется на определенную глубину. Температура процесса Т1=1420 К. Время диффузии t1=6480 сек, глубина залегания примеси x в см. заносим в таблицу расчета Распределение примеси подчиняется закону Гаусса. Расчет: Используя рисунок (см. приложение 1) находим коэффициент диффузии примеси при температуре Т1=1420К D=9*10-13 см2/с Распределение примеси подчиняется закону Гаусса: Таблица 1 – Результаты расчета распределения акцепторной примеси в кремнии x, мкм x, см 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0 0,00005 0,00010 0,00015 0,00020 0,00025 0,00030 0,00035 0,00040 0,00045 𝑥2 𝑒𝑥𝑝 (− ) 4𝐷𝑡 1 0,898375315 0,651375232 0,381171386 0,180021743 0,068619137 0,021109656 0,005241224 0,001050267 0,000169857 9 N(x,t), см-3 1,6623E+17 1,4933E+17 1,0828E+17 6,3361E+16 2,9924E+16 1,1406E+16 3,5090E+15 8,7123E+14 1,7458E+14 2,8235E+13 Полученные результаты используются для построения графика N(x,t) – примесного профиля базовой области Формирование базового слоя 1,00E+18 1,00E+17 1,00E+16 1,00E+15 1,00E+14 1,00E+13 1,00E+12 1,00E+11 1,00E+10 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 10 Расчет распределения примеси в эмиттерной области биполярного транзистора Формирование эмиттерного слоя проводят диффузией из бесконечного источника донорной примеси при температуре Т2=1420К и времени t2=5760 сек Условие проведения диффузии соответствует решению, представляемому уравнением 𝑥 𝑁(𝑥, 𝑡) = 𝑁0 ∗ 𝑒𝑟𝑓𝑐(𝑧), где 𝑧 = 2√𝐷𝑡 N0 – поверхностная концентрация примеси, близкая к значениям предельной твердости примеси в данном полупроводниковом материале (10 19 см-3) erfc(z) – дополнительная функция ошибок. Используя рисунок (см. приложение 1), находим коэффициент диффузии донорной примеси при температуре T2=1450К D=1,7*10-13 см2/с Таблица 2 – Результаты расчета распределения донорной примеси в кремнии x, мкм x, см 0 0,4 0,7 1,0 1,4 1,8 2,2 2,5 2,8 3,2 0 0,00004 0,00007 0,0001 0,00014 0,00018 0,00022 0,00025 0,00028 0,00032 𝑥 𝑧= 2√𝐷𝑡 0 0,639137491 1,118490609 1,597843727 2,236981217 2,876118708 3,515256199 3,994609317 4,473962435 5,113099926 erfc(z) N(x,t), см-3 1 3,6606E-01 1,1370E-01 2,3840E-02 1,5585E-03 4,7531E-05 6,6498E-07 1,6117E-08 2,4975E-10 4,7940E-13 1,00E+19 3,6606E+18 1,1370E+18 2,3840E+17 1,5585E+16 4,7531E+14 6,6498E+12 1,6117E+11 2,4975E+09 4,7940E+06 Полученные результаты используются для построения графика N(x,t) – примесного профиля эмиттерной области транзистора. Формирование эмиторного слоя 1,0000E+19 1,0000E+18 1,0000E+17 1,0000E+16 1,0000E+15 1,0000E+14 1,0000E+13 1,0000E+12 1,0000E+11 1,0000E+10 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 11 12 Определение ширины базы биполярного транзистора Построим график распределения примеси в n-p-n биполярном транзисторе. Эпитаксиальный слой n-типа, в который проводят диффузию, имеет концентрацию примеси ND=1016 атом\см3. Глубина эмиттерного перехода определяется расстоянием, на которой концентрация донорной примеси эмиттерного слоя равна концентрации акцепторной примеси базового слоя. 1,00E+19 1,00E+18 Формирование базового слоя 1,00E+17 Формирование эмиторного слоя 1,00E+16 Эпитаксиальный слой 1,00E+15 1,00E+14 0,10,40,7 1 1,31,61,92,22,52,83,13,43,7 4 4,3 По графику можно определить глубину залегания эмиттерного перехода 0,8 мкм и глубину залегания коллекторного перехода 1,9 мкм. Ширина базы биполярного транзистора 1,1 мкм. 1E+19 1E+18 1E+17 1E+16 1E+15 1E+14 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 13 Заключение В результате выполнения данной курсовой работы изучены устройство, принцип действия, особенности структур биполярных транзисторов. Получены навыки расчета распределения примеси в базовой области биполярного транзистора, эмиттерной области биполярного транзистора и определения ширины базы биполярного транзистора. В настоящее время технология микроэлектроники прошла уже все стадии своего развития и становления. Мы имеем дело с наиболее массовым современным производством сложной продукции. При этом темпы развития микроэлектроники находятся вне конкуренции современной промышленности. 14 с любыми отраслями Приложение (график зависимости коэффициента диффузии от температуры) 15 Список использованных источников 1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов.- 2 изд., перераб. И доп.-М.:Лаборатория базовых знаний, 2001.-488 с. 2. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов / Н.А.Аваев, Ю.Е. Наумов, В.Т. Фролкин.- М.:Радио и связь, 1991.-288 с. 16
