Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет»

Радиофизический факультет

Кафедра физики полупроводников и наноэлектроники

Курсовой проект по дисциплине «Микроэлектроника»

Тема: «Ионная имплантация в технологии ИС»

выполнил студент: Никольский И.Е.

группа: (4096\12)

преподаватель: Захарова И.Б.

оценка: _______________

Санкт-Петербург

2012

1. Указать достоинства и недостатки метода ионной имплантации в технологии ис.

Достоинства:

• Высокоточное управление количеством легирующей примеси;

• Универсальность и гибкость процесса;

• Возможность легирования через слой SiO2 при низких температурах;

• Возможность создания тонких p-n переходов;

• Концентрация примеси не ограничена предельной растворимостью в материале подложки;

• Примесь очень чистая.

Недостатки:

• Т.к. радиационные дефекты по Френкелю (в глубине кристалла, с образованием пары межузельный атом – вакансия) и по Шоттки (на поверхности, с образованием свободной вакансии)

2. Получить выражение для определения толщины маскирующего покрытия при локальном ионном легировании.

3. С какой целью и как используется ступенчатое ионное легирование?

Ионное легирование используется с целью получения достаточно глубоких и равномерных примесных областей. Как известно, распределение примеси в кристалле описывается гауссианой. Глубина залегания гауссианы зависит от энергии ионов. Следовательно, если провести имплантацию ионов с двумя-четырьмя значениями энергий, то они останутся в кристалле на разных глубинах, а их гауссианы сольются в одну, достаточно глубокую область. Технологически обосновано легирование ионами с максимум четырьмя различными значениями энергий.

4. Пластину кремния n-типа с легируют ионами В с дозой при энергии 100 кэВ. Затем проводят диффузию при Т = 1000˚C в течение двух часов. Какова толщина области p-типа сразу после ионного легирования и после проведения процесса диффузии? Чему равна пиковая концентрация бора после проведения диффузии?

Суть представленных в задаче процессов сводится к следующему: кремний легируется ионами бора, которые распределяются внутри по гауссиане. Вполне возможно, что образовались 2 p-n перехода, а не один – в том случае, если гауссиана залегает достаточно глубоко. Поэтому после проведения ионной имплантации проводят диффузию при высокой температуре. Под действием высокой температуры гауссиана «расплывается», при этом один p-n переход движется вглубь кристалла, а второй – к поверхности. Второй переход, при достаточно долгой диффузии, может оказаться на поверхности. Именно координаты переходов(-а), их новые координаты (после проведения диффузии), а также концентрацию бора после диффузии нам и предстоит найти.

Сначала возьмём необходимые данные из таблиц в [1]:

Для ионов бора

Подвижность носителей тока примем равной

Координаты p-n переходов находим по формуле

где – глубина залегания p-n перехода, в сантиметрах.

Прежде, чем начать вычисление глубин залегания, необходимо определить концентрацию носителей в подложке . Она вычисляется на основе значений удельного сопротивления и подвижности носителей заряда:

Отсюда следует, что

Теперь вычисляем глубину переходов:

Аналогично, только с другим знаком, вычисляем вторую глубину перехода. Если она окажется отрицательной или равной нулю, то это значит, что переход только один.

Очевидно, что мы имеем 2 p-n перехода, один на глубине 0.147 мкм, второй – на глубине 0.647 мкм.

Следующим этапом текущей задачи станет проведение диффузии при заданных параметрах (Т = 1000˚С, t = 2 ч). После проведение диффузии переходы изменят свои координаты вследствие «расплывания» гауссианы. Более глубокий сместится ещё глубже в кристалл, а менее глубокий приблизится к поверхности, и, возможно, дойдёт до неё, тем самым уничтожившись. Пиковая же концентрация ионов бора, присутствующих в кристалле, несколько уменьшится. Нам предстоит рассчитать координаты новых p-n переходов (или доказать, что переход остался один) и новую концентрацию ионов после завершения диффузии.

Для расчёта новых p-n переходов используем формулу

x – искомая глубина p-n перехода.

Величина N(x,t) соответствует концентрации носителей в подложке, определённой выше. Нам необходимо найти до этого неизвестный коэффициент диффузии и преобразовать формулу, чтобы найти x.

Коэффициент диффузии определяется по формуле

.

Теперь вычислим сам коэффициент:

Затем необходимо преобразовать формулу

для того, чтобы найти x:

В итоге мы получаем квадратное уравнение вида

В результате решения этого уравнения мы получаем один положительный корень, равный

Это означает, что в результате высокотемпературной диффузии один из p-n переходов продвинулся вглубь кристалла и остановился на глубине 0.79 мкм (вместо 0.647 мкм до диффузии), а второй p‑n переход вышел на поверхность. Таким образом, вместо одного мелкого p-n перехода и одного глубокого, мы получили один, ещё более глубокий p-n переход.

Теперь необходимо рассчитать пиковую концентрацию бора после проведения диффузии. Рассчитывается она по формуле

Исходя из теоретической модели распределения легирующих ионов в кристалле, их пиковая концентрация достигается на глубине . Соответственно, при постановке данного значения в приведённую выше формулу, экспонента обращается в нуль, и формула принимает следующий вид:

где Ф = Q. Вычисляем значение N, подставляя полученное значение D, и получаем ответ

Для сравнения, определим пиковую концентрацию ионов бора до диффузии. Формула для определения этого значения похожа на предыдущую и выглядит следующим образом:

Исходя из аналогичных принципов определения координаты пиковой концентрации, получаем, что

После вычислений получаем, что

Поскольку площадь под гауссианой, описывающей распределение концентрации ионов, остаётся постоянной, а её края изменили своё положение и в целом гауссиана стала шире, то её пик должен был несколько уменьшиться. Это наглядно подтверждает расчёт, который показывает, что в результате диффузии пиковая концентрация ионов бора упала в 1,2 раза.

5. Какова необходимая толщина маскирующего окисла при проведении ионной имплантации с параметрами пункта №4? Определите время, необходимое для термического выращивания такого маскирующего окисла при Т = 1000˚С и Т = 1150˚С в сухом и влажном кислороде.

Для расчёта скорости роста плёнки окисла нам необходимо использовать т.н. константы роста, которые оказываются разными для каждой температуры и для каждого режима. Поэтому в этом пункте будет 4 практически однотипных расчёта.

Формулу

по которой рассчитывается толщина плёнки через время её роста, мы преобразуем так, чтобы через толщину определять время роста. Саму же толщину плёнки мы определим по тому же методу, по которому определяли её в пункте №2:

Параметры и для легирования бором мы уже определили. Осталось определить параметр , который называется относительной тормозящей способностью материала (относительно кремния). Для этот параметр равен 1,25.

Для толщина маскирующего слоя равна . Приравниваем её к , преобразуем формулу и получаем выражение

по которому будем рассчитывать время роста плёнки, исходя из констант роста.

Сначала рассчитаем время для выращивания плёнки в атмосфере сухого кислорода:

Для Т = 1000˚С

В этом случае t 20.4 ч

Для Т = 1150˚С

В этом случае t 11 ч

Теперь выполним аналогичный расчёт для атмосферы влажного кислорода:

Для Т = 1000˚С

В этом случае t 1.85 ч

Для Т = 1150˚С

В этом случае t 0.66 ч

Разница между выращиванием плёнок в атмосфере сухого кислорода и выращиванием в атмосфере влажного кислорода заключается в том, что при выращивании плёнок в сухом кислороде плёнка растёт намного медленнее, но получается намного более совершенна по структуре. В случае выращивания плёнки в атмосфере влажного кислорода, качество получается намного ниже, но скорость роста резко возрастает, что явно подтверждается проделанными выше расчётами.

6. Обсудите маскирующие свойства при легировании различными примесями. Рассчитайте необходимую толщину окисной маски при ионном легировании В и Р с энергией 150 кэВ, и при диффузии этих же примесей при Т = 1200˚С в течение 1 часа.

Толщина слоя для легирования определяется по формуле

Для ионов бора она составляет

Для ионов фосфора

В случае с диффузией всё несколько сложнее. Дело в том, что при диффузии через маску окисла, диффузия идёт как сразу в кристалл (через «окно» в маске), так и через слой окисла. Под маской, как и в районе «окна», накапливаются ионы. Наша задача – подобрать такую толщину слоя, чтобы при данных условиях концентрация ионов под маской была намного меньше, чем собственная концентрация носителей в полупроводнике. В противном случае, маска потеряет свой смысл.

Итак, примем, что концентрация под слоем окисла должна быть меньше концентрации носителей в кристалле на два порядка.

Воспользуемся формулой

где – предельная растворимость ионов в кристалле. Она равна (для ионов бора и фосфора соответственно):

Расчёт для ионов бора:

По таблице из [1] определяем значение аргумента: z = 3.9

Затем выполняем аналогичный расчёт для ионов фосфора:

z = 4.

Таким образом, были определены 2 значения толщины для диффузии ионами бора и фосфора.

Что касается применимых толщин слоя окисла кремния, то необходимо уточнить, что она колеблется от 0.2 мкм до 1.5 мкм. Если вырастить слой меньше 0.2 мкм, то ионы смогут свободно проникать сквозь маску и она окажется бесполезной. При большей, чем 1.5 мкм, толщине, становится практически невозможным метод фотолитографии.

Список использованной литературы

1. И.Б.Захарова – «Физические основы микро- и нанотехнологий», СПб, изд-во Политехнического Университета, 2010.

2. Королёв М.А., Крупкина Т.Ю. – «Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем», Т.1, М. «Бином», 2010.