Варикап со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Соловьев, Виталий Анатольевич

• Соловьев, Виталий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соловьев, Виталий Анатольевич

Введение.

1 Современное состояние конструкций и технологии изготовления элементов нелинейной емкости.

1.1 Анализ элементов нелинейной емкости, управляемой напряжением.

1.2 Основные параметры нелинейных емкостей.

1.3 Обзор технологии изготовления полупроводниковых варикапов

Выводы.

2 Решение уравнения Пуассона и расчет основных статических характеристик варикапа со ступенчато-градиентным профилем распределения примеси.

2.1 Решение уравнения Пуассона для ступенчато-градиентного профиля распределения примеси в базе варикапа.

2.2 Расчет основных статических характеристик варикапа со ступенчато - градиентным профилем распределения примеси.

2.3 Оптимизация профилей легирующей примеси.

Выводы.

3. Технология изготовления полупроводниковой структуры со ступенчатоградиентным профилем распределения примеси.

3.1 Расчет технологических режимов изготовления варикапа методом диффузии.

3.2 Расчет технологических режимов изготовления варикапа методом ионной имплантации.

3.3 Расчет технологических режимов молекулярно-лучевой эпитаксии.

Выводы.

4 Моделирование варикапа со сверхрезким р-п - переходом в системе сквозного моделирования полупроводниковых приборов ISE TCAD Release 7.0.

4.1 Методика проведения моделирования в программном пакете ISE TCAD Release 7.0.

4.2 Моделирование технологии изготовления варикапа с помощью интерактивного компоновщика двумерных структур MDRAW.

4.3 Моделирование технологии изготовления варикапа в программе DIOS.

4.4 Описание моделирования статических характеристик структуры в программе DESSIS.

4.5 Описание моделирования статических характеристик полученной структуры в программе DESSIS.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Варикап со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси»

Актуальность темы диссертационной работы. С середины 50-х годов прошлого столетия началось бурное развитие микроэлектронных технологий, таких как ионная имплантация, газовая и молекулярно-лучевая эпитаксия с различными видами легирования в процессе роста пленок, методов контроля и диагностики получаемых структур, что позволило создавать совершенно новые полупроводниковые приборы [1].

Разработанное уже в середине 80-х годов 20-го века технологическое оборудование [1-3] обеспечивает различную степень сложности профилей распределения примеси в полупроводниковых структурах, регулирует глубину залегания р-п перехода, управляет степенью легирования полупроводника с высокой точностью. Из проведенного анализа литературы следует, что и в 21-м веке основным материалом для производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем остается кремний [4-11]. Поэтому разработка новых конструкций и усовершенствование технологии изготовления существующих полупроводниковых приборов на основе кремния по-прежнему остается актуальной задачей электронной промышленности.

Использование сегнетоэлектриков для конденсаторов с электрически управляемой емкостью, основанное на изменении емкости от приложенного напряжения, одно из классических применений сегнетоэлектриков сегодня приобретает новый смысл в связи с получением достаточно стабильных сегнетоэлектрических пленок [46 - 50]. Вместе с успехами в этом направлении, позволившими создавать стехиометрические поликристаллические пленки на основе тройных соединений, подобных ВаТЮз, толщиной 1 мкм, когда обеспечивается низкочастотная на 1 кГц диэлектрическая проницаемость более 1000, диэлектрическое поглощение на высоких частотах приводит к сильной частотной зависимости, как диэлектрической проницаемости, так и диэлектрических потерь. Причем даже незначительные отклонения от стехиометрии ведут к снижению проницаемости и росту потерь, что отрицательно влияет на параметры варикондов.

Варикапы в основном находят свое применение в радиотехнических устройствах, таких как радиопередатчики, радиоприемники, а также в измерительной технике. Улучшение основных характеристик варикапа, включая крутизну вольт-фарадной характеристики, коэффициент перекрытия по емкости, способствует уменьшению в радиопередающих устройствах нелинейных искажений при частотной модуляции, упрощает схемотехнику модулятора; в радиоприемной аппаратуре - расширяет диапазон электрической перестройки принимаемых частот, снижает необходимое питающее напряжение и массу вторичных источников питания. В результате этого повышается надежность разрабатываемых устройств. Использование варикапов в измерителях амплитудно-частотных характеристик и генераторах сигнала увеличивает линейность преобразования напряжение

- частота. Синтезаторы частоты радиопередающих и измерительных устройств содержат также генератор управления напряжением, уменьшение коэффициента гармоник выходного сигнала которого и, как следствие этого, внеполосных излучений передатчика достигается совершенствованием параметров варикапа. Это актуально с точки зрения электромагнитной совместимости радиосредств. Поэтому разработка технологических приемов получения полупроводниковых структур - варикапов представляет, научный и практический интерес; от решения именно этой актуальной задачи зависит успешное применение в электронных схемах таких полупроводниковых структур с улучшенными техническими характеристиками и параметрами.

Цель работы. Разработка физической модели, технологии изготовления и исследование электрических характеристик полупроводниковой нелинейной емкости со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси для обеспечения заданных значений основных параметров.

Основные задачи работы.

1. Разработать физическую модель полупроводниковой структуры и получить аналитические зависимости емкости и коэффициента нелинейности от напряжения, соответствующие физической модели.

2. Определить технологические режимы ионной имплантации и молекулярно-лучевой эпитаксии для формирования ступенчато-градиентного профиля распределения примеси в базе варикапа.

3. Определить оптимальные технологические параметры изготовления структуры, при которых проявляется максимальная нелинейность емкости, и установить взаимосвязь между параметром теории — градиентным коэффициентом распределения примеси и коэффициентом нелинейности.

4. Провести моделирование варикапа в системе сквозного моделирования ISE TCAD 7.0, измерить вольт - фарадные характеристики, коэффициенты нелинейности и перекрытия и установить соответствие аналитической модели полученным результатам.

Научная новизна работы определяется следующими полученными результатами:

- разработана физическая модель полупроводниковой структуры со сложным распределением концентрации примеси, которая обладает лучшими характеристиками по сравнению с варикапами со ступенчатым и обратным градиентом распределения концентрации примеси;

- получены в аналитическом виде основные статические характеристики зависимости барьерной емкости и коэффициента нелинейности от напряжения. Это позволило определить интервалы концентрации примеси и технологические режимы получения ступенчато - градиентного профиля распределения примеси, в результате которых получается структура с высокими значениями начальной удельной емкости и коэффициента нелинейности;

- установлено, что метод ионной имплантации в сочетании с методом молекулярно - лучевой эпитаксией позволяет получать сложные профили распределения концентрации примеси в полупроводниковых структурах. Показано, что при разумном выборе величины градиентного коэффициента, который играет роль параметра теории, наблюдается корреляция между полученным профилем распределения концентрации примеси и аппроксимирующим выражением.

Практическая ценность работы.

Предложенная физическая модель полупроводниковой структуры и полученные аналитические зависимости емкости и коэффициента нелинейности от напряжения определяют условия получения нелинейных емкостей с заданными вольт-фарадными характеристиками. Использование методов ионной имплантации и МЛЭ позволило установить соответствие между параметром теории - градиентным коэффициентом распределения примеси и коэффициентом нелинейности - как выходным параметром варикапа. Это обеспечивает максимальные значения удельной емкости и коэффициента перекрытия.

Реализация и внедрение результатов.

Результаты работы внедрены в НИР «Учебная техника» и «Индустрия образования» по федеральной программе Минобразования «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования», подпрограмма: «Научное и научно-методическое обеспечение индустрии образования», раздел 6 - системы и комплексы поддержки учебного процесса и научных исследований, подраздел 2 - комплексный анализ и научно-методическое обоснование номенклатуры автоматизированных лабораторных практикумов удаленного доступа по группам инженерных дисциплин.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Физическая модель полупроводниковой нелинейной емкости со сложным распределением концентрации примеси.

2.Результаты анализа теоретических зависимостей коэффициента нелинейности и емкости от напряжения. Влияние параметра теории - градиентного коэффициента на основные электрические параметры варикапа.

3.Технологические режимы изготовления варикапа со ступенчато - градиентным профилем распределения концентрации примеси на основе сочетания ионной имплантации и молекулярно-лучевой эпитаксии. -^.Результаты моделирования структуры в системе ISE TCAD 7.0

Апробация диссертационной работы.

Основные результаты работы докладывались на конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского гос. университета

2000 - 2004), III международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001), 1-й Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению (Калуга, 2001), восьмой (Екатеринбург, 2002), девятой (Красноярск, 2003), десятой (Москва, 2004) всероссийских научных конференциях студентов - физиков и молодых ученых, где получен диплом I степени.

Публикации. По тематике исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи и 7 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии, содержащей 65 наименований. Работа, изложенная на 135 страницах, содержит 5 таблиц, 39 рисунков и 4 приложения.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Соловьев, Виталий Анатольевич

Основные результаты и выводы диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработана физическая модель варикапа со ступенчатоградиентным профилем распределения примеси, за счет которого повышена начальная удельная емкость и увеличен коэффициент нелинейности.

2. Получены электрические характеристики варикапа и определен диапазон значений легирующей концентрации примеси, необходимый для получения максимального значения начальной удельной емкости.

3. Разработана технология изготовления нелинейной емкости с заданным законом распределения концентрации примеси и определены оптимальные значения технологических параметров ионной имплантации. При этом достигаются значения коэффициента нелинейности в интервале от 1 до 3 В \

4. Проведено моделирование в системе сквозного моделирования ISE TCAD v. 7.0 варикапа со ступенчато-градиентным профилем распределения примеси и измерены его вольт-фарадные характеристики, рассчитаны коэффициенты нелинейности и перекрытия. Результаты моделирования подтверждают справедливость выбранных приближений модели и электрических характеристик.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соловьев, Виталий Анатольевич, 2005 год

1. Технология СБИС: в 2-х книгах / Под ред. С. Зи. М.: Мир, 1986 г.

2. Денисов А. Г., Садофьев Ю. Г., Сеничкин А. П. Молекулярно-лучевая эпитаксия (особенности технологии и свойства пленок) // Технология, организация производства и оборудование. Сер. 7, Вып. 14(762). М. 1980.-76 с.

3. Белявский В.И. Физические основы полупроводниковой нанотехно-логии // Соросовский образовательный журнал, № 10, 1998. С. 92 -98.

4. Зайнабидинов С., Назиров Д.Э., Акбаров А.Ж., Иминов А.А., Тош-темиров Т.М. Диффузия эрбия в кремний // Письма в ЖТФ, том 24, №2, 1998.-С. 68-71.

5. Кантер Б.З., Никифоров А.И., Пчеляков О.П. Фоновое легирование пленок при молекулярно-лучевой эпитаксии кремния // Письма в ЖТФ, том 24, № 3, 1998 С. 24 - 29.

6. Пятак И.Л., Довгошей Н.И. Автодиффузия при эпитаксии на сильнолегированных подложках кремния // Физика и химия обработки материалов, № 2, 1998. С. 97 - 98.

7. Арутюнян В.М., Ахоян А.П., Адамян З.Н., Барсегян Р.С. Лазерная имплантация и диффузия магния в кремний // ЖТФ, том 71, вып. 2, 2001.-С. 67-70.

8. Гадияк Г.В. Диффузия бора и фосфора в кремнии при высокотемпературной ионной имплантации // ФТП, том 31, № 4, 1997. С. 385 — 389.

9. Лифшиц В.Г. Поверхностные фазы и выращивание микроэлектронных структур на кремнии // Соросовский образовательный журнал, №2, 1997.-С. 107-114.

10. Ю.Гук Е.Г. Каманин А.В., Шмидт Н.М., Шуман В.Б., Юрре Т.А., Диффузия легирующих примесей из полимерных диффузантов и применение этого метода в технологии полупроводниковых приборов // ФТП, том 33, вып. 3, 1999. С. 257 - 269.

11. Bohmayr W., Burenkov A., Lorenz J., Ryssel H., and Selberherr S. Trajectory split method for Monte Carlo simulation of ion implantation // IEEE Trans.Semiconductor Manufacturing, vol.8, no.4, 1995. P. 402— 407

12. Н.Комаров Ф.Ф., Мозолевский И.Е., Матус П.П., Ананич С.Э. Распределение внедренной примеси и выделенной энергии при высокоэнергетической ионной имплантации // ЖТФ, том 67, № 1, 1997. С. 61 — 67.

13. Bank R. Е., Rose D. J., and Fichtner W. Numerical Methods for Semiconductor Device Simulation // IEEE Trans. Electr. Dev., V. ED-30, 1983. -P. 1031-1041.

14. Schenk A. and Muller S. Analytical Model of the Metal-Semiconductor Contact for Device Simulation // Simulation of Semiconductor Devices and Processes, vol. 5, Sept. 7-9, Vienna, Austria, 1993. P. 441-444.

15. Вендик О.Г., Никольский M.A. Моделирование характеристик многослойного планарного конденсатора // ЖТФ, том 71, № 1, 2001. С. 117-121.

16. Юдин П.Н., Никольский М.А., Зубко С.П. Применение метода Монте-Карло для моделирования диэлектрического отклика сегнетоэлек-трика // ЖТФ, том 73, № 8, 2003. С. 56-61.

17. Сегнетоэлектрики в технике СВЧ / Под ред. О.Г. Вендика. М.: Сов. радио, 1979.-269 с.

18. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982.-320 с.

19. Берман JI. С. Введение в физику варикапов JL, Наука, 1968 г. - 178 с.

20. Пасынков В. В., Чиркин JL К. Полупроводниковые приборы М: Высш. шк. 2003 - 480 с.

21. Викулин Н.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 264 с.

22. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. JL: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

23. Вариконды в электронных импульсных схемах/ Под ред. В.Ю. Булы-бенко. М.: Сов. радио, 1971.-272 с.

24. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. -367 с.

25. Берман JI. С. Нелинейная полупроводниковая емкость-М.: Физмат-гиз, 1963.-88 с.

26. Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 352 с.

27. Баранский Т.И., Клочков В.П., Потыкевич И.В. Полупроводниковая электроника: Справочник.- Киев: Наукова думка, 1975. 704 с.

28. Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. — М.: Радио и связь, 2002. 423 с.

29. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. — М.: Радио и связь, 1991. 528 с.

30. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем М: Высшая школа, 1986.-367 с.

31. Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1982.-359 с.

32. Веап J.C, J. Crystal Growth 81, 1987. P. 411-420.

33. Kasper E., Bean J.C., eds. Silicon Beam Epitaxy // CRC Press, Vol. 1 and 2, 1988.

34. Bean J.C. Silicon Molecular Beam Epitaxy as a VLSI Processing Technique, IEEE Proc. Int. Electron Device Meet., IEEE, 1981. P. 6.

35. Reif R. Computer simulation in silicon epitaxy // J. Electrochem. Soc., 1981.-P. 909-918.

36. Konig U., Kibbel H., Kasper E. MBE: Growth and Sb Doping // J. Vac. Sci. Technol., 16, 1979 P. 985.

37. Ota Y. Si Molecular Beam Epitaxy (n on n+) with Wide Range Doping Control//Electrochem Soc., 124, 1977-P. 1795

38. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов/ Под ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхе-ма: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 496 с.

39. Броудай И., Меррей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир, 1985. - 494 с.

40. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1989. - 680 с.

41. Рожков В. А., Трусова А.Ю. Кремниевые металл-диэлектрик-полупроводник-варикапы с диэлектриком из оксида иттербия // Письма в ЖТФ, том 23, № 12, 1997. С. 50 - 55

42. Cillessen J.F.M., Prins M.V.J. and Wolf R.M. Thickness dependence of the switching voltage in all oxide ferroelectric thin - film capacitors prepared by pulsed laser deposition // J. Appl. Phys. 81 (6), 15 March, 1997-P. 2777-2783.

43. Zheng Lirong, Lin Chenglu and Ma Tso Ping. Current - voltage characteristic of asymmetric ferroelectric capacitor // J. Phys. D. Appl. Phys. 29. - 1996 - P. 457 - 461.

44. Zavala Jenaro, Fendler Janos H. and Trolier Mc. Kistry Susan. Characterization of ferroelectric lead zirconate titanate films by scanning force microssopy // J. Appl. Phys. 81 (11), 1 June, 1997 - P. 7480 - 7491.

45. Ren S.B., Lu S.J., Shen H.M., Wang Y.N. In site study of the evolution of domain structure in free standing polycrystalline РЬТЮЗ thin films under external stress // Phys. Rev. B, 55, 6, 1997 - P. 3485 - 3489.

46. Kleer G., Schmitt H., Musel H.E., Ehses K.H. Sputtered ferroelectric thin films of lead germanate // Ferroelectrics, 26, № 1 4, 1980. - P. 757 -760.

47. Соловьев B.A. «Нелинейная емкость со сверхрезким р-л-переходом» / А.Н. Головяшкин, В.А. Соловьев //Труды второй международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» Одесса 2001. - С. 329 - 330.

48. Соловьев В.А. Варикап на основе сверхрезкого р-п перехода / А.Н. Головяшкин, В.А. Соловьев // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, №1, 2001 С. 28-30.

49. Соловьев В.А. Улучшение основных характеристик варикапа за счет изменения профиля распределения примеси //Тезисы докладов IIIмеждународной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» Саранск, 2001. - С. 108.

50. Соловьев В.А. Технология получения варикапа со сверхрезким р-п переходом// Сборник материалов 1-й Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению, Калуга, 2001. С. 73.

51. Соловьев В.А. Нелинейность варикапа со сверхрезким р-п переходом / P.M. Печерская, В.А. Соловьев //Сб. тез. докл. Восьмой всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2002. - С. 269-271.

52. Соловьев В.А. Моделирование физических процессов, протекающих в твердом теле / P.M. Печерская В.А. Соловьев //Сб. тез. докл. Восьмой всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, Екатеринбург, 2002. - С. 755-756.

53. Соловьев В.А. Лабораторный практикум по технологическим дисциплинам / И.А. Аверин, Д.В. Лежнев, В.А. Соловьев //Сборник материалов VI Международной научно-методической конференции «Университетское образование» Пенза, 2002. - С. 409-411.

54. Соловьев В.А. Автоматизированный электронный учебный курс / P.M. Печерская, В.А. Соловьев //Сб. тез. докл. Девятой всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых, Екатеринбург - Красноярск, 2003. - С. 1042-1044.

55. G. Hobler, A. Simionescu, L. Palmetshofer, С. Tian, and G. Stingeder. Boron channeling implantations in silicon: Modeling of electronic stopping and damage accumulation // J.Appl.Phys., vol.77, no.8, 1995. P. 3697-3703.

56. G. Hobler and H. Potzl, Electronic stopping of channeled ions in silicon // Mat.Res.Soc.Symp.Proc., vol.279, 1993. P. 165 - 170.

57. G. Hobler and S. Selberherr, Monte Carlo simulation of ion implantation into twoand three-dimensional structures // IEEE Trans.Computer-Aided Design, vol.8, no.5, 1989. P. 450 - 459.

58. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры // Под ред. Ж. И. Алферова М.: Мир, 1989. 582 с.

59. Соловьев В.А., Печерская Р. М., Медведев С. П. Автоматизированный электронный учебный курс по дисциплине «Твердотельная электроника». М.: ВНТИЦ, 2003. - №50200300180.