Основы технологии электронной компонентной базы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2551 

Кафедра полупроводниковой электроники и физики 
полупроводников 

В.П. Астахов 
С.А. Леготин 
К.А. Кузьмина 
 

Основы технологии электронной 
компонентной базы 

 

Практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2016 

УДК 621.38 
 
А91 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. О.И. Рабинович 

Астахов В.П. 
А91  
Основы технологии электронной компонентной базы : практикум / В.П. Астахов, С.А. Леготин, К.А. Кузьмина. – М. : Изд. 
Дом МИСиС, 2016. – 53 с. 
ISBN 978-5-87623-964-8 

Содержит описание трех практических занятий, в которых изучаются такие процессы создания приборных структур наноэлектроники, как термическое окисление, диффузия и ионная имплантация. Ставит перед собой задачи 
объяснить физическую сущность используемых в микро- и наноэлектронике 
технологических процессов, научить комплексному научному подходу к выбору методов и процессов формирования электронной компонентной базы, а 
также освоить методики расчета параметров технологических процессов. Результатом обучения должно быть приобретение компетенций по основным 
базовым процессам технологии для применения их в научных исследованиях, разработке и производстве изделий микро- и наноэлектроники. 
Практикум является составной частью курса «Основы технологии электронной компонентной базы» для студентов, обучающихся по направлению 
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».  
 

УДК 621.38 

ISBN 978-5-87623-964-8 
© В.П. Астахов, 
С.А. Леготин,  
К.А. Кузьмина, 2016 
 
© НИТУ «МИСиС», 2016 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Расчет режимов термического окисления и диффузии при 
проектировании p+–n-переходов фотодиодов на кремнии ...................5 
2. Расчет режимов термического окисления, диффузии  
и профилей распределения примесных атомов при изготовлении 
транзистора .............................................................................................18 
3. Расчет режимов ионной имплантации и результирующего  
профиля примесных атомов при изготовлении транзистора .............37 
Библиографический список...................................................................52 
 

Введение 

Основой диодов и транзисторов являются приборные структуры, 
сформированные в полупроводниковом кристалле и представляющие 
собой чередующиеся слои с противоположным типом проводимости. 
У фотодиодов таких слоев два, у транзисторов – три, у тиристоров – 
четыре, у симисторов – пять. Одним из слоев чаще всего является 
исходный кристалл. 
К числу самых распространенных методов формирования фоточувствительных структур относятся диффузия и ионная имплантация. Дополнительным, но необходимым методом в случае планарных 
приборных структур на кремнии является также термическое окисление, при котором формируется пленка SiO2, являющаяся маской 
при локальной диффузии, а также защитной и пассивирующей поверхностью в области планарных границ p–n-переходов. 
Наиболее распространенным типом чувствительных структур 
являются транзисторы со структурой n+–p–n или p+–n–p-типа. На 
технологии таких структур базируются технологии остальных 
приборов. При этом в большинстве случаев основной является 
структура n+–p–n-типа. 
Независимо от топологии маршрут изготовления n+–p–n транзистора одинаков: сначала создается область базы и при этом формируется 
коллекторный p–n-переход, который является p–n-переходом между 
базой и коллектором, а затем – область эмиттера, при этом формируется эмиттерный p–n-переход, который является p–n-переходом между 
эмиттером и базой. 
Области базы и эмиттера и соответственно коллекторный и эмиттерный p–n-переходы могут создаваться методами диффузии или 
ионной имплантации. Диффузией создаются более глубокие, а ионной имплантацией – более мелкие p–n переходы. Поэтому имплантационные транзисторы имеют тонкую базу, что обеспечивает возможность их работы при больших частотах по сравнению с диффузионными аналогами. 
Формирование базовой и эмиттерной областей осуществляется за 
счет локальной диффузии или ионной имплантации, при которых маской, формирующей площадь легированных областей, является оксидная 
пленка, выращенная предварительным окислением в атмосфере кислорода – сначала сухого, затем влажного, затем опять сухого. 

1. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОГО 
ОКИСЛЕНИЯ И ДИФФУЗИИ ПРИ 
ПРОЕКТИРОВАНИИ p+–n-ПЕРЕХОДОВ 
ФОТОДИОДОВ НА КРЕМНИИ 

1.1. Теоретическое введение 

Диффузия относится к числу самых распространенных технологических методов формирования кремниевых приборных структур. В 
случае планарных структур дополнительной, но необходимой технологической операцией является термическое окисление, при котором 
формируется пленка оксида кремния SiO2, являющаяся маской при 
локальной диффузии, а также защитной и пассивирующей поверхностью в области планарных границ p–n-переходов. 
1. Окисление проводится на первом этапе формирования планарных приборных структур с чередованием условий окисления: сначала в сухом кислороде, затем во влажном, затем опять в сухом. Такая 
последовательность позволяет обеспечить быстрый рост пленки (во 
влажном кислороде) и ее высокое качество (в сухом кислороде). 
Для сухого кислорода толщина оксидной пленки dок (мкм) зависит 
от времени и температуры: 

 

1,33
2
21,2
kT
d
te
−
=
ок
, 
(1.1) 

для влажного кислорода эта зависимость имеет вид 

 

0,8
2
7,26
kT
d
te
−
=
ок
, 
(1.2) 

где t – время, мин;  
k – постоянная Больцмана, равная 8,07·10–5 эВ·К–1. 

2. Профиль распределения примеси обусловлен особенностями 
процесса диффузии, выражаемыми законами Фика: 

1-й закон: 
N
j
D
x

∂
= −
∂
, 

2-й закон: 

2

2
N
N
D
t
x

∂
∂
= −
∂
∂
, 

где  j – плотность потока примесных атомов, мкА/см2;  
D – коэффициент диффузии, см2/с;  
N – концентрация диффундирующих атомов, см–3;  

x – пространственная координата вглубь кристалла в точке х. 

Решение 2-го уравнения Фика позволяет получить профиль концентрации примесных атомов. 
Решение выполнено для двух случаев: 
1) при неограниченном источнике примеси, когда поверхностная 
концентрация примесных атомов N0 = const (такой случай реализуется в процессе, который называется «загонка»); 
2) при ограниченном источнике примеси, когда N0 зависит от времени N0(t) и обеспечивается только атомами, введенными при загонке (такой случай реализуется в процессе, который называется «разгонка»). 
При загонке профиль концентрации вводимых в кристалл атомов 
описывается выражением 

 
( )
0
2

x
N x
N
Dt
=
erfc
, 
(1.3) 

где символом erfc обозначается дополнение функции ошибок  
erf (erfc =1 – erf). 

При этом доза легирования Q (см–2), т.е. количество примесных 
атомов, введенных в кристалл через площадку в 1 см2, 

 
0
1,13
Q
N
Dt
=
. 
(1.4) 

При разгонке поверхностная концентрация со временем не является постоянной величиной, а уменьшается по формуле 

 
( )
0
Q
N
t

Dt
=
π
. 
(1.4a) 

После разгонки профиль примесных атомов имеет следующий 
вид: 

 
( )

2
2

2
2
0

x
x
Dt
Dt
Q
N
N
t e
e
Dt

⎛
⎞
⎛
⎞
−
−
⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
⎝
⎠
=
=
π
. 
(1.5) 

Как видно из уравнений (1.3) и (1.5), глубина проникновения 
примесных атомов в кристалл при загонке и разгонке определяется 
фактором Dt, т.е. длительностью процесса t и температурой, поскольку коэффициент диффузии D имеет сильную экспоненциальную температурную зависимость: 

0

E
kT
D
D e

Δ
−
=

a
,  
(1.6) 

где E
Δ
a  – энергия активации диффузии.  

На практике проводится сначала загонка, а потом разгонка примесных атомов. При этом следует иметь в виду, что при многоэтапном (п этапов) процессе диффузии, когда проводится последовательная загонка и разгонка нескольких видов примесных атомов, примесь, введенная на первых этапах диффузионных процессов, продолжает разгоняться на следующих этапах. Это учитывается суммированием факторов Diti, которые характерны для рассматриваемой 

примеси на всех n этапах 

1

n

i i
D t
⎛
⎞
⎜
⎟
⎝
⎠
∑
, и эта величина определяет ре
зультирующий профиль распределения данной примеси. 
Полученный расчетами профиль распределения примеси позволяет определить глубину залегания p–n-перехода. При этом глубина 
р–п-перехода (dp–n) определяется как координата точки пересечения 
профиля диффундирующей примеси (например, атомов бора в случае формирования p–n-перехода на пластине кремния n-типа проводимости с профилем примесных атомов фосфора, имеющихся в 
исходном кристалле – Nисх). При этом р–n-переход формируется в 
результате двухэтапного процесса: сначала загонки, а затем разгонки примесных атомов. 

1.2. Задание 

1. Определить режимы окисления, загонки и разгонки примеси бора при формировании планарного р+–п-перехода на кремнии п-типа, 
для которого заданы следующие параметры: 
– глубина залегания р+–n-перехода (dp+–n); 
– поверхностная концентрация бора (
0
N B ); 

– концентрация примеси фосфора в исходном кремнии ( N P
исх ); 
– толщина оксида для маскирования (dок). 
2. Рассчитать и построить профиль распределения примесных 
атомов, пользуясь данными табл. 1.1 и 1.2. 

Таблица 1.1 

Коэффициенты диффузии D атомов бора для различных температур 

Температура, °С 
Коэффициент диффузии, см2/ с 

1000 
10–14 

1050 
5·10–14 

1100 
10–13 

1150 
3·10–13 

1200 
10–12 

Примечание. Значения коэффициентов диффузии при промежуточных температурах могут быть определены в первом приближении линейной аппроксимацией на 
ближайшем температурном участке. 

Таблица 1.2 

Предельные растворимости атомов бора в кремнии  
для различных температур 

Температура,°С 
Предельная растворимость, см–3 

800 
8·1016 

900 
1,2·1018 

1000 
1019 

1050 
6·1019 

 
Варианты заданий приведены в табл. 1.3. 

Таблица 1.3 

Варианты заданий 

Вариант 
Параметр 
I 
II 
III 
IV 
V 

dp+–n, мкм 
2,0 
2,5 
3,0 
3,5 
4 

0
N

B , см–3 
1018 
1,5·1018 
2,0·1018 
2,5·1018 
3·1018 

N

P
исх , см–3 
5·1014 
5·1014 
5·1014 
3·1014 
2·1014 

doк, мкм 
0,5 
0,5 
0,55 
0,55 
0,6 

1.3. Методические указания  

Алгоритм выполнения задания сводится к следующему. 
1. Определить режимы: температуру и длительность процесса 
окисления, обеспечивающего заданную толщину оксидной пленки. 
При этом считать, что процесс трехстадийный: 1 – окисление в сухом 
кислороде, 2 – окисление во влажном кислороде, 3 – окисление в сухом кислороде, но все три стадии проводятся при одной и той же 
температуре. Определить температуру и длительность всех трех ста

дий, считая, что на каждой стадии сухого окисления толщина образующейся оксидной пленки должна быть одинаковой и составлять 
примерно 15 % от заданной толщины маскирующей пленки. Таким 
образом, за две стадии сухого окисления толщина оксидной пленки 
составляет ~ 30 %, а за одну стадию влажного окисления — 70% от 
заданной толщины. Используя выражения (1.1) для сухого и (1.2) для 
влажного окисления, подбирают температуру так, чтобы для определенных на предыдущем этапе толщин оксида, формируемых при сухом и влажном окислениях, длительность окисления в сухом кислороде на каждой стадии была в пределах 10...30 мин, а во влажном 
кислороде – 1...4 ч. Подбор следует начинать с температуры 1150 °С, 
обычно используемой на практике. 
2. Вычислить эффективный фактор D'pBt'pB, определяющий результирующий профиль распределения примеси бора после разгонки. Фактор D'pBt'pВ определяют следующим образом. Рассматривают 
этап разгонки бора на основе выражения (1.5) для двух значений х: 
х1 = 0 и х2 = dp–n. При x1 = 0 выражение (1.5) приобретает вид 

 
0
'
'
Q
N
N

D
t
=
=
π

B

pB
pB
, 
(1.7) 

а при x2 = dp–n 

 

2

2
'
'
'
'

p n
d

D
t
Q
N
e
D
t

−
⎛
⎞
−⎜
⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
=
π

pB
pB
B
исх
pB
pB
, 
(1.8) 

где  QВ – доза примеси бора;  
D'pB и t'pB – эффективные коэффициент диффузии примеси бора и 
длительность ее разгонки; 
значения Nисх, 
0
N B  и dp–n даны в задании. 

Получают систему уравнений (1.7) и (1.8), деление которых одно 
на другое приводит к выражению 

 

2

4
'
'
0

p n
d

D
t
N
e
N

−
=
pB
pB
B

исх
, 

откуда следует, что 

2

0
'
'
4

p n
d
D
t
N
ln N

−
=
pB
pB
B

исх

. 
(1.9) 

Подставляя в формулу (1.9) заданные значения dp–n, 
0
N B  и Nисх, находят произведение D'pBt'pВ. 
Задаваясь некоторой величиной длительности разгонки, например 
t'pB = 1 ч (3600 с), из рассчитанного значения D'pBt'pB находят коэффициент диффузии D'pB:  

 
'
'
'
3600 

D
t
D
=

pB
pB
pB
, 

затем по найденному значению D'pB из табл. 1.1 находят соответствующую ему температуру разгонки бора T'pB. 
Таким образом найдены режимы разгонки примеси бора: T'pB и t'pB. 
Далее из формулы (1.7) определяют дозу QB, после чего по формуле (1.5) рассчитывают и строят профиль распределения атомов 
бора. 
3. Определить режимы загонки примеси бора (температуры ТзВ и 
длительности tзВ) следующим образом. Задаваясь температурой загонки в пределах 800...1100 °С, из данных табл. 1.2 находят предел 
растворимости атомов бора, соответствующий выбранной температуре. Считают при этом, что найденный предел растворимости равен 
поверхностной концентрации N0, величину которой вместе с найденным выше значением QB подставляют в формулу (1.4), откуда вычисляют фактор Dt при загонке бора, т.е. DзВtзВ. Зная температуру 
загонки ТзВ, по данным табл. 1.1 находят соответствующее ей значение DзВ, а затем вычисляют 

 
.
D t
t
D
=
зВ зВ
зВ
зВ
 

Таким образом найдены режимы загонки примеси бора. 

Примечания: 
Выбор продолжительности диффузионных процессов производят исходя из производственных возможностей: 
– продолжительность загонки tзВ выбирается из диапазона 10…100 мин; 
– продолжительность разгонки tpВ выбирается из диапазона 30…360 мин. 
Профили распределения атомов бора строят следующим образом: по оси ординат обозначают концентрацию в логарифмическом масштабе, где 20...30 мм соответ

ствуют изменению концентрации на порядок величины, а по оси абсцисс – глубину 
в линейном масштабе. Концентрацию обозначают в пределах 1014...1021 см–3; рассчитывают профиль в этом пределе концентраций. На рисунке указывают глубину залегания p–n-перехода. 

3. Все найденные режимы записывают в конце работы в том порядке, в каком производятся соответствующие процессы. 

1.4. Пример выполнения задания 

Задание. Определить режимы окисления, загонки и разгонки 
примеси бора при формировании p+–n-перехода со следующими параметрами: 
– глубина залегания р+–n-перехода dp+–n = 3,5 мкм; 
– поверхностная концентрация при диффузии бора 
0
N B  = 2·1016 см–3; 
– концентрация в исходном n-кремнии Nисх = 5·1014 см–3; 
– толщина оксида для маски dок = 0,6 мкм. 
Решение 
1) Определяем режимы (температуру и длительность процесса 
окисления), обеспечивающие заданную толщину маскирующей оксидной пленки dок = 0,6 мкм. 
Выбираем температуру процесса Т = 1150 °С, режим – последовательное окисление в сухом, затем во влажном, затем в сухом кислороде. Считаем, что при каждом сухом окислении толщина образующейся оксидной пленки dок.с составляет 15 % от dок, т.е. 
dок.c = 0,09 мкм. Таким образом толщина пленки, образующейся при 
влажном окислении, составляет doк.вл = 0,6 – 0,09 – 0,09 = 0,42 мкм. 
Из формулы для сухого окисления 

 
2
ок
1,33 
21,2 exp
d
t
kT
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠   

определяем 

 

2
ок
ок.с
1,33 
21,2 exp

d
t
t

kT

=
=
⎛
⎞
−
⎜
⎟
⎝
⎠

, 

где dок.c – толщина пленки при сухом окислении, мкм2;  
t – время процесса, мин.