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: