Анализ схемы, выбор материалов и методов изготовления элементов схемы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Технология изготовления интегральной схемы ТС – 14

 

Курсовой проект по дисциплине:

 «Процессы микро – и нанотехнологии»

ФЭТ. 250 012.001 ПЗ

 

 

Студент гр. 324

__________ Д.Д. Фролов

«____»_________ 2018г.

Руководитель

к.т.н, доцент кафедры ФЭ

________И.А. Чистоедова

«____»_________ 2018г.

 

2018

Министерство образования и науки Российской Федерации (РФ)

 

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ (ТУСУР)

 

Кафедра физической электроники (ФЭ)

Утверждаю

Зав. кафедрой ФЭ

                   П.Е. Троян

ЗАДАНИЕ

по курсовому проектированию по дисциплине

«процессы микро- и нанотехнологии»

Студенту                           Фролову Даниле Дмитриевичу             

Группа 324 факультет                           Электронной Техники                 

1 Тема проекта: Технология изготовления интегральной схемы ТС – 14

2 Срок сдачи студентом законченного проекта «___»__________2018г.

3 Исходные данные к проекту:

3.1 Биполярная схема с диэлектрической изоляцией.

3.2 Подложка КЭФ – 0,1 , ,

, .

3.3 Сопротивление резистора - .

3.4 Все резисторы изготовлены в базовой области.

4 Содержание:

4.1 Анализ схемы, выбор материалов, методов изготовления элементов схемы и их рисунок.

4.2 Технологический маршрут изготовления схемы.

4.3 Расчет режимов диффузии базы и эмиттера.

4.4 Расчет точности диффузионных элементов.

5. Перечень графического материала:

5.1 Технологический маршрут.

5.2 Чертежи фотошаблонов базовых и эмиттерных областей.

6. Дата выдачи задания: «21» февраля 2018 г

Руководитель курсового проекта:

к.т.н., доцент кафедры физической электроники И.А.Чистоедова

 «___»__________2018 г.                          Подпись__________

Задание принято к исполнению:

студент группы 324                                             Д.Д. Фролов

«___»__________2014 г.                           Подпись__________

 

 

 

Оглавление

Введение. 5

1  Анализ схемы, выбор материалов и методов изготовления элементов схемы 6

1.1 Анализ схемы.. 6

1.2 Выбор материалов. 11

1.3 Выбор технологии изготовления элементов схемы.. 14

2  Технологический маршрут изготовления ИМС.. 15

3  Расчет режимов диффузии базовой и эмиттерной области. 21

3.1 Расчет концентрации примеси в области p-типа. 23

3.2 Расчет концентрации примеси в эмиттерной области n-типа. 27

4  Расчёт погрешностей. 31

5  Фотошаблоны базовых и эмиттерных областей. 37

6  Заключение. 38

Список использованных источников. 39

 

Введение

Основными изделиями микроэлектроники являются интегральные микросхемы (ИМС).

Современный этап развития радиоэлектроники – микроэлектроника – характеризуются широким применением во всей радиотехнической аппаратуре и вычислительной технике интегральных микросхем. Это связано со значительным усложнением аппаратуры, что привело к росту числа элементов и вызвало увеличение габаритов и веса аппаратуры и снижение ее работоспособности. Для решения указанных проблем произошла замена отдельных элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) интегральными микросхемами – функциональными блоками, выполняющими роль целой электронной схемы.

Дальнейшее развитие микроэлектроники идет по пути уменьшения размеров элементов. В результате достигнуты размеры, за которыми меняются свойства твердого тела. Создание элементов с размерами порядка десятков нанометров перевело микроэлектронику в новую область – наноэлектронику.

На современном этапе развития микроэлектроники применяют два основных метода создания ИМС:

1) метод локального воздействия на микроучастки полупроводникового кристалла (твердого тела) и придания им свойств, соответствующих функциям микроэлементов и их соединений (полупроводниковые ИМС);

2) метод образования схем в твердом теле посредством послойного нанесения тонких пленок различных материалов на общее основание (подложку) с одновременным формированием из них микроэлементов и их соединений (пленочные ИМС, микросборки).

В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИМС:

биполярные и МДП ИМС в зависимости от используемых транзисторов в схеме.

В исходных данных курсового проекта главным элементом биполярных ИМС является биполярный  транзистор. Технология всех других элементов должна быть приспособлена к технологии  транзистора.

Таким образом, при изготовлении ИМС используется интегральная технология, которая представляет собой совокупность методов обработки, позволяющую при наличии структурного подобия различных элементов ИМС формировать их одновременно в едином технологическом процессе.

Цель курсового проекта – по исходным данным интегральной схемы ТС – 14 разработать технологический процесс, используемый при ее производстве и установить связь параметров технологических режимов с выходными параметрами интегральной схемы ТС – 14.

Анализ схемы, выбор материалов и методов изготовления элементов схемы

Анализ схемы

Анализ схемы начинается с набора элементов представленных на схеме ТС – 14 (рис. 1.1 и 1.2).

Так же представлена эквивалентная схема интегральной схемы ТС – 14 на рисунке 1.3

Рисунок 1.1 Топология интегральной микросхемы ТС-14

Рисунок 1.2 Топология интегральной микросхемы ТС-14

Рисунок 1.3 - Эквивалентная схема интегральной схемы ТС – 14

Главный самый сложный элемент биполярной ИМС  транзистор (рис. 1.4), в данной топологии таких транзисторов два (V1 и V2).

Рисунок 1.4 Структура биполярного транзистора: К – коллектор; Б – база; Э – эмиттер

В качестве диодов в биполярных ИМС используются p – n – переходы между замкнутыми коллектором-базой и эмиттером (рис. 1.5). Четыре диода используют p – n – переход между замкнутым коллектором с базой и эмиттером транзистора V1 и один диод использует p – n – переход между замкнутыми коллектором с базой и эмиттером транзистора V2.

 

Рисунок 1.5 Структура диода биполярной ИМС

В данной работе резисторы биполярных ИМС изготавливаются в базовой области (рис. 1.6). Сопротивление, которое может быть реализовано в базовом слое, не превышает 20 кОм. В нашей схеме представлены два резистора, имеющих конфигурацию типа «меандр» (R1, R3) и два типа «полоска» (R2, R4).

Рисунок 1.6 Структура резистора в базовой области

Для обеспечения надежной работы биполярной ИМС каждый элемент схемы должен быть изолирован. В технологии для решения этой проблемы применяется следующие виды изоляции:

1. изоляция p – n – переходом;

2. полная диэлектрическая изоляция;

3. комбинированная изоляция;

В нашем случае применяется полная диэлектрическая изоляция (рис 1.7). В такой структуре каждый элемент размещен в своеобразном «кармане», который представляет собой область монокристаллического кремния, ограниченную слоями двуокиси кремния.

Рисунок 1.7 Структура с диэлектрической изоляцией:

1 – монокристаллический кремний n – типа;

2 – двуокись кремния; 3 – поликристаллический кремний

Для осуществления электрической связи между элементами микросхемы необходимо сформировать невыпрямляющие омические контакты. Они должны обладать высокой электропроводимостью, теплопроводностью, механической прочностью. Материал контакта должен иметь хорошую адгезию к кремнию и окислу, химическую инертность, устойчивость к воздействию окружающей среды. Наиболее распространенным материалом для контактов, коммутационных шин и контактных площадок является алюминий. Он обладает большой электропроводностью, имеет хорошую адгезию к кремнию и , пластичен, технологичен (т. е. легко наносится на поверхность микросхемы в виде тонкой пленки, плотно заполняет окна в окисле, поддается фотолитографической обработке и дает качественные контакты с внешними проволочными выводами методом термокомпрессии), образует низкоомный контакт к кремнию р и n – типов, так же наиболее дешев по сравнению с аналогами.

Выбор материалов

Для начала выберем материал для подложки биполярной ИМС. Полупроводниковые материалы в полупроводниковых приборах и ИМС являются не только элементом конструкции, а в их объеме, приповерхностном слое и на поверхности формируются структуры, которые представляют собой или отдельные приборы или элементы ИМС. Для этой цели, как правило, служат монокристаллические полупроводниковые пластины. Пригодность полупроводникового материала для использования при изготовлении приборов и ИМС определяется в основном параметрами, зависящими от его физических свойств: оптических, термических, термоэлектрических, зонной структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней и др. Очень важны электрические свойства полупроводниковых материалов: тип электропроводности, концентрация носителей заряда, их подвижность, удельное сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная длина, которые зависят от технологии получения полупроводника.

В настоящее время в полупроводниковой электронике используются кремний, германий, арсенид галлия, фосфид индия и др. Наибольшее применение получил кремний.

К моменту создания биполярного транзистора развитие технологии было связано с использованием германия в качестве полупроводникового материала. Однако приборы на основе германия оказались нестабильными из-за высоких токов утечки p – n – переходов, что является следствием относительно узкой ширины запрещенной зоны (0,66 эВ). Кремний, ширина запрещенной зоны которого равна 1,1 эВ, заменил германий и позволил почти полностью исключить его как материал для производства твердотельных приборов. Кремниевые приборы могут работать в более широком диапазоне температур. Кроме того, преимущество кремния состоит в том, что на его поверхности технологически просто выращивается термический окисел высокого качества, который служит хорошим изолятором, а также маской при диффузии, являющейся надежным барьером для проникновения примесей. Окись же германия гигроскопична и растворима в воде.

В экономическом отношении применение кремния в электронике более выгодно, чем использование германия, так как стоимость кремния высокого уровня чистоты в 10 раз ниже стоимости германия. Таким образом, уникальное сочетание подходящей для изготовления полупроводниковых приборов ширины запрещенной зоны кремния, отличных диэлектрических и технологических свойств и стабильности его окисла, больших природных запасов этого материала указывает на то, что в обозримом будущем ни один другой полупроводниковый материал не сможет претендовать на замену кремния при изготовлении интегральных схем.

Основой полупроводниковой технологии является создание p – n – переходов путем легирования. Сущность легирования состоит во внедрении легирующей примеси в кристаллическую решетку полупроводника и образование области с противоположным типом проводимости. Эта область ограничивается p – n – переходом. Количество вводимой примеси должно быть достаточным для компенсации ранее введенной примеси и создания ее избытка.

Для получения слоев дырочного типа проводимости в качестве легирующей примеси используют элементы III группы: бор, индий, галлий, алюминий, а для получения слоев электронного типа проводимости применяют элементы V группы: фосфор, мышьяк, сурьму. Предпочтение отдается веществам, имеющим высокие предельную растворимость и скорость диффузии. Максимальной предельной растворимостью примесных элементов в кремнии обладают мышьяк, бор и фосфор. Кроме того бор и фосфор имеют высокую скорость диффузии. Поэтому из всех предложенных элементов наиболее широкое применение получили именно бор и фосфор. Однако при создании мелких эмиттеров (глубина залегания p – n – перехода эмиттер – база меньше 2 мкм) и скрытых слоев большая скорость диффузии нежелательна. В первом случае это приводит к слишком малому технологически неуправляемому времени диффузии, а во втором случае к размытию границы скрытый слой –эпитаксиальная пленка. В этом случае используют элементы, имеющие малую скорость диффузии, такие, как мышьяк и сурьму.

В качестве изоляции наибольшее применение имеют пленки двуокиси кремния SiО₂, полученные термическим окислением. [1]

Особенности роста пленки и кинетики окисления кремния определяются структурой и свойствами пленки . Окисел обладает открытой пространственно – полимерной структурой с прочными связями

SiО₂ -это один из лучших диэлектриков с шириной запрещенной зоны более 8 эВ. Рост окисла происходит в атмосфере сухого кислорода или паров воды согласно реакциям:

Si + О₂ → SiО₂,

Si + 2Н₂О → SiО₂ + 2Н₂.

При этом происходит перераспределение валентных электронов между кремнием и кислородом и образуется ковалентная связь между атомами.

В полупроводниковых микросхемах пассивные пленки выполняют разнообразные и сложные функции.

При обработке пассивная пленка предохраняет монокристаллический кремний от воздействия технологических сред (газообразных и жидких), сохраняя тем самым электрофизические свойства.

Пассивная пленка в качестве изоляции межсоединений от кремния должна удовлетворять требованиям высокой прочности, высокого удельного сопротивления и малой диэлектрической проницаемости.

Достаточно удовлетворяет перечисленным требованиям пленка , получаемая путем термического окисления поверхности кремния.