Материал: Sb95845
Описание лабораторных работ см. в методических указаниях [2].
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Задание к курсовой работе предусматривает расчет технологических режимов основных операций производства микросхем: термического окисления, диффузии, имплантации, эпитаксии. В ходе выполнения курсовой работы студенты должны составить технологический маршрут, определить по исходным данным последовательность операций с указанием поперечных сечений полупроводниковой структуры, разработать чертежи топологического расположения элементов микросхемы на кристалле, промоделировать заданный технологический процесс.
Ориентировочная трудоемкость выполнения курсовой работы – 36 ч.
Тема курсовой работы: «Разработка маршрута и расчет технологических режимов изготовления логического элемента».
В индивидуальных заданиях варьируются:
1.Тип логики: ДТЛ, ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, n-МОП, р-МОП, K-МОП,
Д-МОП.
2.Вид технологии: биполярная и МОП-технология.
3.Логические функции: НЕ, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.
4.Способы изоляции элементов: изолирующая диффузия, изопланар, LOCOS, КСДИ.
5.Моделируемые процессы.
Материалы по курсовому проектированию см. в [3].
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
№ |
Наименование темы занятия |
Трудоем- |
Тема |
п/п |
кость, |
||
|
ауд, ч. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
Расчет толщины пленки термического диоксида кремния |
2 |
2, 3 |
|
|
|
|
2 |
Расчет толщины пленки диоксида кремния при последова- |
2 |
2, 3 |
|
тельном окислении |
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
3 |
Расчет толщины пленки диоксида кремния при окислении под |
2 |
2, 3 |
|
давлением |
|
|
|
|
|
|
4 |
Расчет температуры и времени изолирующей диффузии |
2 |
2, 3 |
|
|
|
|
5 |
Расчет глубины залегания коллекторного p–n-перехода |
2 |
2, 4 |
|
биполярного транзистора |
|
|
|
|
|
|
6 |
Расчет толщины защитной пленки при ионной имплантации |
2 |
2, 5 |
|
|
|
|
7 |
Расчет распределения примеси при имплантации через |
2 |
2, 5 |
|
пленку |
|
|
|
|
|
|
8 |
Расчет глубины залегания имплантированного p–n-перехода |
2 |
2, 4, 5 |
|
|
|
|
9 |
Расчет температуры и времени геттерирования |
2 |
4, 5 |
|
|
|
|
10 |
Расчет ширины зоны, очищенной геттерированием |
3 |
4, 5 |
|
|
|
|
|
Итого |
21 |
|
|
|
|
|
Студенты заочной формы обучения выполняют контрольную работу (КР) по дисциплине в ходе самостоятельной работы в течение семестра и выступают с краткими сообщениями во время лабораторно-экзаменационной сессии.
Практические занятия № 1–3
Расчет толщины пленки диоксида кремния
При термическом окислении кремния в среде сухого кислорода или водяного пара вырастает пленка диоксида кремния (SiO2), толщина которой в отсутствие начальной пленки согласно модели Дила–Гроува определяется выражением
x |
k p |
1 4tk 2 / k |
p |
1 |
, |
(1) |
|
|
|
||||||
|
|
l |
|
|
|
||
|
2kl |
|
|
|
|
||
где t – время окисления; kl |
и k p – |
константы |
скорости линейного и |
||||
параболического окисления, зависящие от среды окисления, ориентации кремния и от температуры в виде
7
|
|
E |
|
|
|
E |
p |
|
|
|
|
|
|
l |
|
; k p k p0 exp |
|
|
|
|
, |
(2) |
|
kl kl0 exp |
|
|
|
kT |
|
||||||
|
|
kT |
|
|
|
|
|
|
|||
где k – постоянная Больцмана (k = 8,62 10–5 эВ/К); T – абсолютная температура. При наличии на поверхности кремния начальной пленки диоксида кремния формула принимает вид
|
x |
k p |
|
1 4(x2 |
k |
p |
x |
/ k |
l |
k |
p |
t)k 2 / k 2 |
1 , |
(3) |
||
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
l |
p |
|
|
|
|||
|
|
2kl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где x0 – начальная толщина пленки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Значения |
предэкспоненциальных |
множителей kl0 , |
k p0 и |
энергий |
||||||||||||
активации El , |
E p приведены |
в [3] |
для |
ориентации |
|
кремния |
(111) и |
|||||||||
парциального давления окислителя (сухого кислорода или водяного пара) равного атмосферному pa = 105 Па. Для ориентации кремния (100) имеем
kl (100) = 0,6 kl (111); k p (100) = k p (111). |
|
При давлении окислителя p 105 Па |
|
kl (p) = kl p / pa ; k p (p) = k p p / pa . |
(4) |
При окислении в смеси газов |
|
kl kl (O2 ) p(O2 ) / p kl (H2O) p(H2O) / p , |
(5а) |
k p k p (O2 ) p(O2 ) / p k p (H2O) p(H2O) / p , |
(5б) |
где p – суммарное давление газов в системе (кислорода, водяного газа и газа носителя, или разбавителя азота, или другого неактивного газа),
p p(O2 ) p(H2O) p(N2 ) .
Практические занятия № 4–5
Расчет глубины залегания p–n-перехода при диффузии
Глубина диффузии легирующей примеси и, соответственно, глубина p–n-перехода определяются температурой, временем и видом источника диф-
8
фузии. Температура задает коэффициент диффузии
|
|
E |
a |
|
|
|
|
|
|
|
, |
(6) |
|
|
|
|||||
D D0 exp |
|
|
|
|||
|
|
kT |
|
|
||
где D0 – предэкспоненциальный множитель; Ea – энергия активации
диффузии. Эти параметры зависят от вида примеси; для основных легирующих примесей они приведены в [3].
При диффузии из неограниченного источника распределение примеси по глубине имеет вид
|
|
x |
|
|
|
С(x,t) Сserfc |
|
|
|
, |
(7) |
2 |
|
||||
|
Dt |
|
|
||
где CS – поверхностная концентрация; t – время диффузии; erfc – дополнительная функция ошибок. Положение p–n-перехода, определяемое из
условия С(x j ,t) Cb , где Cb – концентрация примеси в подложке, |
в этом |
||||||
случае имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
x |
j |
2 |
Dt erfc 1(C |
/ C |
s |
) , |
(8) |
|
|
b |
|
|
|
||
где Cb – концентрация примеси в подложке. При расчете глубины диффузии
удобно пользоваться простой аппроксимацией дополнительной функции ошибок
|
|
|
|
|
2 |
|
. |
|
(9) |
|
erfc(z) exp |
z 0,3 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При диффузии из ограниченного источника распределение примеси по |
||||||||||
глубине имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Q |
|
|
|
x2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
(10) |
|
С(x,t) Сs πDt |
exp |
|
4Dt |
|||||||
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Q – количество примеси в источнике. В этом случае глубина p–n-пере- хода
x j 2 Dt ln |
|
Q |
. |
(11) |
|
Cb |
πDt |
||||
|
|
|
|||
|
|
9 |
|
|
При диффузии в две стадии (загонка и разгонка) в качестве Q берется количество примеси, введенное на первой стадии (загонке),
Q 2Cs1 D1t1 / π . |
(12) |
Практические занятия № 6–8
Расчет глубины имплантации и залегания p–n-перехода
Распределение примеси при ионной имплантации обычно описывается функцией Гаусса
C(x) Q 
2π R p
exp
(x R p )2 2 R2p
, (13)
где Q – количество внедренной примеси, или доза имплантации, ион/см2; Rр – средний проецированный пробег; Rр – среднеквадратичный разброс (страгглинг) проецированных пробегов. Значения Rр и Rр зависят от энергии имплантации, вида примеси, материала мишени. Для основных легирующих примесей и мишеней Si и SiO2 значения Rр и Rрприведены в [3].
Концентрация имплантированной примеси становится равной заданной концентрации или концентрации примеси в подложке Cb на глубине xb :
|
|
|
|
|
Q |
|
|
|
|
|
x R |
|
|
2 R2 ln |
|
|
|
. |
(14) |
||
|
|
|
|
|
||||||
b |
p |
|
p |
|
2π R |
|
C |
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
||
При термическом отжиге происходит электрическая активация и диффузия примеси из имплантированного слоя, распределение принимает вид
|
Q |
|
|
|
(x R p ) |
2 |
|
|
(x |
R p ) |
2 |
|
|
|
||
C(x,t) |
|
|
exp |
|
exp |
|
|
|
. (15) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
2π( R2 |
|
2( R2 |
|
|
2( R2 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
2Dt) |
|
|
2Dt) |
|
|||||||||
|
2Dt) |
|
|
|
||||||||||||
|
p |
|
|
|
p |
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
Глубина залегания имплантированного p–n-перехода определяется выражением
10