Расчет параметров кремниевого планарного диода

 

 

  Министерство Образования и науки  Украины

Севастопольский Национальный Технический Университет

 

 

 

 

 

 

Факультет Радиоэлектроники  

Кафедра Электронной  Техники  

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

По дисциплине:”Твердотельная электроника”

на тему:

“Расчет параметров

кремниевого планарного диода”

 

 

 

 

Выполнила: ст. гр. ЭЛТ-32д 

Игнатьева С.В.     

Принял: профессор  

Гусев В.А.    

 

 

 

 

 

 

Севастополь

2003

Задание

 

 

1. Расчёт параметров диода.
2. Расчёт температурной зависимости обратного тока и прямого падения напряжения диода    I_обр.(T), U_пр.(T).
3. Расчет максимально допустимой температуры   Tmax  и максимального тока диода в режиме стабилизации   Imax
4. Расчёт температурной зависимости напряжения лавинного и теплового пробоев

       U_B^лав (T), U_B^th (T).

5. Расчёт вольт – фарадной  характеристики     C(U).
6. Расчёт частотной зависимости добротности  (при U_обр=1В)   Q(ω).
7. Расчёт температурной зависимости добротности на низких и верхних частотах

       Q_нч(T), Q_вч(T).

8. Расчёт зависимости времени восстановления диода при работе в импульсном режиме от прямого тока и обратного напряжения    t_восст=f(I_пр), t_восст=f(U_обр).

 

Режимы  измерения:

                         

                         

 

Режимы переходных процессов.

           при     

                            при     

Температурный диапазон:     -60° C £ T£ 120° C

Материал Si (кремний),          

Площадь кристалла:    Sкр=[0,7´0,7] мм²

Вариант структуры      p⁺ - n – n⁺                       

8 вариант

 

RSE,  Ом/см2	20
rB,  Ом/cм	5
tB,  мкс	3
rpod,  Ом/см	3×10-3
s,  см/с	10
Wepi,  мкм	10
Xj,  мкм	2
d,  мкм	200
R,  см	0,01
Rthо,  К/мВт	2
Pmax,  мВт	200

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Технологические  основы изготовления диода.

 

   Планарный  процесс в настоящее время  занимает ведущее место в полупроводниковой технологии. Это связано с тем, что при планарном процессе обеспечивается массовое производство приборов с высокими электрическими параметрами и надежностью при минимальных экономических затратах. В планарном процессе наиболее полно отражается все многообразие технологических приемов и методов, общих в производстве полупроводниковых приборов и ИМС различного типа. Современная планарная технология представляет собой последовательность следующих этапов:

1. Наращивание на поверхности кремниевой подложки эпитаксиального слоя.
2. Окисление поверхности кремния.
3. Фотолитография.
4. Диффузия.
5. Осаждение тонких металлических пленок контактного слоя.
6. Скрайбирование.

 

 

1.1 Изготовление  подложки.

 

Для изготовления полупроводниковых  диодов применяют монокристаллический сверхчистый кремний, получаемый методом Чохральского. Пластины получают разрезанием монокристаллических слитков цилиндрической формы с последующими процессами шлифовки, полировки и химического травления для удаления верхнего дефектного слоя и получения зеркальной поверхности с шероховатостью 0.03-0.05мкм.

Для последующих  операций важна чистота поверхности. Поэтому перед началом, а также неоднократно в течение технологического цикла производят очистку, удаляя посторонние вещества с помощью промывки, растворения и т.п. Эффективная ультразвуковая очистка осуществляется погружением пластины в ванну с растворителем, перемешиваемым с помощью ультразвука.

  

1.2 Эпитаксия.

 

Это процесс  наращивания на пластину (подложку) монокристаллического слоя (эпитаксиальной пленки), повторяющего структуру подложки и ее кристаллографическую ориентацию (рис. 1).

Эпитаксиальная пленка создается на всей поверхности подложки, одновременно в нее вводятся примеси, распределяющиеся равномерно по всему объему пленки.

В технологии кремниевых диодов применяется газовая эпитаксия, осуществляемая в эпитаксиальном реакторе.

Пластины на графитовом держателе помещаются в кварцевую трубку с высокочастотным нагревом. Через трубку пропускают поток водорода с небольшим (доли процента) содержанием тетрахлорида кремния, а также газообразных соединений акцепторов (B₂H₆,BBr₃). На поверхности пластин, где устанавливается и поддерживается высокая температура (1200 ± 3°C) происходит реакция:

SiCl₄+2H₂ ® Si¯ + 4HCl­

Образующиеся  атомы кремния перемещаются по поверхности, занимая положения в узлах кристаллической решетки, из-за чего растущая пленка продолжает кристаллическую структуру подложки. Атомы акцепторов образуются также в результате химических реакций. Скорость роста пленки зависит от температуры, содержания , скорости потока газа, а также кристаллографической ориентации поверхности. Из-за высокой температуры процесса примеси диффундируют из пленки в подложку и обратно. Это затрудняет создание резких переходов и тонких (менее 0.5 мкм.) эпитаксиальных пленок. Толщина пленок, получаемых в процессе эпитаксии, лежит в пределах 1…15 мкм.

 

 

 

 

 

1.3 Окисление.

 

После эпитаксии  на поверхности подложки формируется  защитное покрытие. В качестве защитных покрытий используется слой диоксида кремния и нитрида кремния.

Термическое (высокотемпературное) окисление позволяет получить на поверхности кремниевых пластин пленку диоксида кремния, что широко используется для создания масок при легировании. Применение пленки диоксида кремния при легировании основано на том, что коэффициент диффузии ряда примесей (P, B, As, Sb) в ней (в маске) значительно меньше, чем в кремние. Слой диоксида кремния (рис. 2) получил широкое распространение, так как обладает следующими свойствами:

1. Функция защиты – пассивация поверхности.
2. Функция маски, через окна которой вводится необходимая примесь.
3. Высокие диэлектрические характеристики.
4. Равномерность толщины.
5. Прочность.
6. Достаточная чистота.
7. Одинаковый с кремнием температурный коэффициент линейного расширения.

Наращивание окисла проводится термическим окислением в три этапа:

 

I этап – окисление в атмосфере сухого кислорода

Si + O₂ ® SiO₂

При таком окислении  получается структура окисла более  плотная и равномерная; он формирует внешнюю сторону слоя.

II этап – формирование промежуточного слоя в присутствии небольшого количества паров воды

Si + 2H₂O ® SiO₂ + 2H₂­

 

III этап  – окисление в сухом O₂. Этот этап нужен для стабилизации точки раздела                   Si – SiO₂  с точки зрения поверхностного заряда.

 

 

 

Окисление проводят при температурах .

 

 

1.4 Литография.

 

1.4 Литография.

 

Литография – это процесс формирования отверстий в масках, создаваемых на поверхности пластины для локального легирования, травления, окисления, напыления…

Ведущее место  в технологии микросхем занимает фотолитография. Она основывается на использовании светочувствительных полимерных материалов – фоторезистов, которые бывают позитивными и негативными. Негативные фоторезисты под действием света

 полимеризуются  и становятся нерастворимыми  в специальных веществах –  травителях. После локальной засветки (экспонирования) растворяются и удаляются незасвеченные участки. В позитивных фоторезистах свет разрушает полимерные цепочки: растворяются засвеченные участки. Максимальная чувствительность соответствует более длинным волнам (до 0.45 мкм. – видимое излучение). Позитивные фоторезисты обеспечивают более резкие границы растворенных (проявленных) участков, чем негативные, т. е. обладают повышенной разрешающей способностью, но имеют меньшую чувствительность и требуют большего времени экспонирования.

Рисунок будущей  маски задается фотошаблоном (рис. 3). Он представляет собой стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка ( и др.) требуемой конфигурации.

Основные этапы  процесса фотолитографии заключаются  в следующем. На окисленную поверхность кремниевой пластины наносят несколько капель раствора фоторезиста. С помощью центрифуги его распыляют тонким (около 1 мкм.) слоем по поверхности пластины, а затем высушивают.

На пластину накладывают фотошаблон рисунком к  фоторезисту и экспонируют, затем его снимают.

После проявления негативный фоторезист удаляется с  незасвеченных участков, а позитивный – с засвеченных. Получается фоторезистивная  маска, через которую далее травят слой диоксида кремния, после чего фоторезист удаляют. Процесс фотолитографии можно разделить на шесть основных этапов:

1. Нанесение фоторезиста.
2. Сушка.
3. Совмещение шаблона и экспонирование.
4. Проявление фоторезистов.
5. Вторая сушка (задубливание).
6. Травление и удаление фоторезиста.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5 Травление.

 

Травление –  это удаление поверхностного слоя не механическим, а чаще всего химическим путем. Его применяют для получения максимально ровной (дефекты отсутствуют) поверхности пластин, не достижимой механическим путем, удаление диокиси кремния и других слоев с поверхности, формирование рисунка тонкопленочных слоев, а также масок.

При изготовлении диода применяют жидкостное травление. В основе его лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение.

Локальное травление  осуществляется через маску. Оно  может быть изотропным и анизотропным.

 

 

Изотропное  травление (рис 4) идет с одинаковой скоростью во всех направлениях. Этот процесс служит для травления слоя диоксида кремния через маску фоторезиста.

Основной компонент  травления – плавиковая кислота . Размер вытравливаемой области больше размера отверстия в маске на величину, превышающую удвоенную толщину слоя диоксида кремния. В связи с этим жидкостное травление не позволяет получить в слое диоксида кремния отверстие достаточно малых размеров. Жидкостное травление обладает высокой избирательностью, количественно оцениваемой отношением скоростей травления требуемого слоя (например ) и других слоев (кремния, фоторезиста и т. д.…)

 

 

 

 

 

 

 

1.6 Диффузия.

 

Диффузия примесей – это технологическая операция легирования, т. е. введение примесей в пластину или эпитаксиальную пленку. Примесные атомы поступают через поверхность и распространяются вглубь вследствие теплового движения.