автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Варикап со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВ Виталий Анатольевич

ВАРИКАП СО СТУПЕНЧАТО-ГРАДИЕНТНЫМ ПРОФИЛЕМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ

Специальность 05.11.14 — Технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена на кафедре «Микроэлектроника» Пензенского государственного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Печерская Р. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Буц В. П.; доктор физико-математических наук, профессор Кревчик В. Д.

Ведущая организация - ФГУП Научно-исследовательский институт физических измерений, г. Пенза.

Защита состоится 19 мая 2005 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета ДС 212.015.01 в Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан 11 апреля 2005 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

Смогунов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одной из актуальных проблем микроэлектроники является разработка полупроводниковых структур с заданным законом распределения примеси. Так, для полупроводниковых нелинейных емкостей (варикапов), меняя закон распределения примеси в базе варикапа, можно получать различные вольт-фарадные характеристики структуры, расширить диапазон изменения емкости, повысить коэффициент нелинейности и т. д.

Пути улучшения основных параметров варикапов были сформированы в середине XX века Л. С. Берманом, А. П. Ландсманом, В. К. Субашиевом, показавшими, что основное направление повышения характеристик полупроводниковых емкостей состоит в разработке технологии изготовления структур с заданным законом распределения концентрации примеси. Наиболее перспективным является метод молекулярно-лучевой эпитаксии в сочетании с ионной имплантацией, который позволяет создавать сложные профили распределения концентрации примеси в полупроводниковых структурах. Однако технологическое оборудование того времени не позволяло получать такие профили распределения концентрации примеси. Благодаря прогрессу в кремниевой технологии в последние годы продемонстрирована возможность создания новых высокоскоростных и высокочастотных приборов. Исследования в этом направлении получили распространение во всем мире. Технология изготовления полупроводниковых приборов на основе кремния с использованием методов ионной имплантации, молекулярно-лучевой эпитаксии широко рассмотрена в работах зарубежных ученых: Дж. Бина, И. Шираки, Е. Каспера и отечественных: Таирова Ю. М., Алферова Ж. И., Гридчина В. А., Неизвестного И. Г., Пчелякова О. П., Соболева Н. А., Мильвид-ского М. Г. и др.

В настоящее время существует необходимое технологическое оборудование, а также системы сквозного моделирования полупроводниковых приборов от разработки технологии изготовления до анализа выходных характеристик полученной структуры. В эти системы заложены современные физические и технологические модели, основанные на большом количестве экспериментальных данных. Они позволяют сократить финансовые затраты на разработку приборов.

Варикапы находят свое применение в основном 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.

Целью диссертационной работы является 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.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи исследований:

- разработать физическую модель полупроводниковой структуры и получить аналитические зависимости емкости и коэффициента нелинейности от напряжения, соответствующие физической модели;

- определить технологические режимы ионной имплантации и молекулярно-лучевой эпитаксии для формирования ступенчато-градиентного профиля распределения примеси в базе варикапа;

— 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;

— провести моделирование варикапа в системе сквозного моделирования №Е ТСЛБ 7.0, измерить вольт-фарадные характеристики, коэффициенты нелинейности и перекрытия и установить соответствие аналитической модели полученным результатам.

Научная новизна:

- 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 эпитаксии (МЛЭ) 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 харак-

теристиками. 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 положения, выносимые на защиту:

— физическая модель полупроводниковой нелинейной емкости со сложным распределением концентрации примеси;

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

— 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 государственного университета (2000-2004), III Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001), I Российской конференции молодых ученых по физическому материаловедению (Калуга, 2001), VIII (Екатеринбург, 2002), IX (Красноярск, 2003), X (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, списка литературы, содержащего 65 наименований. Работа, изложенная на 134 страницах, содержит 39 рисунков, 5 таблиц, 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен анализ существующих типов нелинейных емкостей с использованием барьерной емкости р-п -перехода (варикап), металл-диэлектрик-полупроводник-варикапов, сегнето-электрических конденсаторов. Дан анализ различных моделей полупроводниковых нелинейных емкостей и технологий их изготовления. Приведены основные параметры различных типов варикапов. Рассматриваются основные технологические режимы получения различных профилей распределения концентрации примеси в базе варикапа.

Во второй главе разработана физическая модель варикапа со сложным законом распределения концентрации примеси. Приводятся решение уравнения Пуассона, выбор и обоснование начальных и граничных условий для выбранной модели.

Распределение примеси в базе варикапа со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси приведено на рисунке 1. Из него видно, что главное отличие — это наличие в рабочей области так называемой «ступеньки». Данная особенность необходима для повышения начальной удельной емкости, так как если её не использовать, как предлагалось в более ранних конструкциях, то будет очень маленькая начальная удельная емкость, а соответственно, и малый диапазон её изменения, небольшой коэффициент нелинейности. Это происходит из-за так называемого расползания примеси вглубь полупроводника.

Рисунок 1 — График распределения примеси в варикапе

Уравнение Пуассона для плоского одномерного /»-«-перехода имеет вид

где Щх) определяется выражением

где а - параметр теории - градиентный коэффициент.

В результате решения уравнения Пуассона, используя формулу для емкости плоского конденсатора, получим:

где

- постоянный коэффициент, определяемый

ебоа а

технологическими параметрами при изготовлении структуры.

Коэффициент нелинейности — это относительная крутизна вольт-фарадной характеристики.

Далее в работе проведен расчет удельной емкости и коэффициента нелинейности при различных значениях концентрации примеси и градиентного коэффициента.

Третья глава посвящена разработке технологии получения ступенчато-градиентного профиля распределения примеси. Показано, что метод ионной имплантации в сочетании с методом МЛЭ позволяет создавать сложные профили распределения концентрации примеси.

Большинство экспериментальных данных по распределениям ионов бора, мышьяка, сурьмы хорошо аппроксимируется теоретическими расчетами с использованием третьего центрального момента в распределении типа «сдвоенная гауссиана» - гауссианы с различными дисперсиями на левом и правом плечах распределения.

Профиль внедренной примеси при дозе аналитически определяется

]/(x)dx о

где fix) - функция распределения примеси.

Функция распределения для бора имеет вид сдвоенной полуга-уссианы.

На рисунках 2 и 3 приведены теоретически рассчитанные распределения концентрации имплантируемой примеси в полупроводник с собственной концентрацией N = 1016 м-3 при различных значениях энергии Е и дозы имплантации Э.

Из полученных зависимостей видно, что наиболее оптимальными значениями энергии и дозы имплантации являются

так как при таких значениях достигается необходимое значение концентрации примеси на поверхности полупроводника, и не возникают радиационные дефекты в полупроводниковой структуре, количество которых с увеличением энергии имплантации возрастает. Толщина окисного слоя при таком значении энергии имплантации составляет 70 нм.

Рисунок 2 - Профиль распределения концентрации примеси, полученный методом ионной имплантации с различными значениями дозы имплантации (£•=28 кэВ, 91 = 10» см"2, Э2= 1012 см"2, Э3= 10° см"2, 34= 10й см"2, Э5 = 1015 см-2, Э6= 1016 см"2)

Рисунок 3 - Профиль распределения концентрации примеси, полученный методом ионной имплантации с различными энергиями имплантации (9 = Ю14 см"2, Е1= 4 кэВ, Е2= 10 кэВ, Е3= 20 кэВ, Е4= 30 кэВ, Е5= 40 кэВ, Е6= 60 кэВ)

После ионной имплантации для достижения распределения концентрации легирующей примеси необходимо провести диффузию имплантируемой примеси в течение короткого промежутка времени. Расчет будем проводить для модели диффузии из ограниченного источника.

На рисунке 4 приведен график распределения концентрации примеси после процесса диффузии, и проведена её аппроксимация экспонентой. Как видно из полученной зависимости, с помощью метода ионной имплантации получился большой градиент концентрации примеси. Из аппроксимирующего выражения определим значение параметра теории а. Он равен 107 м -1.

Погрешность аппроксимации не превышает 3,5 %.

¡•10*

6 10

4-10

2 10

1 1

1н ЛГ Время дн( Темпера!} |фузии t = ра 950 °С 20 мин, | t i j

i

Мг ! i

! X

510 '

1 10'

1.5 10'

210'

г«

Рисунок 4 — Профиль распределения концентрации примеси N и аппроксимирующая зависимость N1

Следующим этапом формирования ступенчато-градиентного профиля распределения примеси является формирование «ступеньки» и самого р-п -перехода методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Проведем расчет скорости поступления атомов кремния и легирующих компонентов бора и фосфора для получения слоев р- и и-типа соответственно. Температура подложки Ts = 550 °С,

при такой температуре скорость роста слоя лежит в диапазоне 1-2 мкм/ч.

Скорости поступления на подложку атомов как основных компонентов пленки, так и легирующих примесей, можно вычислить на основании данных о давлении паров. Если принять, что пар в эффузионной ячейке близок к состоянию равновесия, а апертура ячейки имеет площадь Ас = 5 см2 на расстоянии / = 12 см от подложки, то полное число атомов, уходящих через апертуру за 1 с, равно

J = 8,387 • lQi9pcAc /

где рс - давление в ячейке; М - молекулярный вес; Тс - температура ячейки (в градусах Кельвина).

Для кремния давление насыщенных паров составляет рс = 1,333-Ю"6 Ра при температуре Тс = 1265 К, М= 28 ат. ед. м., тогда скорость атомов, падающих на подложку, равна J = 8,5 • 109 ат./см2 с. Давление, создаваемое потоком атомов кремния на подложку, определим из выражения Кнудсена-Ленг-мюра. Для кремния оно составляет Р = 7,6 • Ю-9 Ра. Проведем аналогичный расчет для легирующих компонентов: бора и фосфора. Давление для бора составляет Р = 6,86 ■ 10~9 Ра и фосфора Р= 8,86 • 10~9 Ра.

При таких значениях обеспечивается стабильный рост эпитак-сиальных слоев кремния р- и «-типа с заданными значениями концентрации примеси в слое.

В четвертой главе проводится моделирование полупроводниковой нелинейной емкости со сложным распределением примеси в системе сквозного моделирования ISE TCAD 7.0.

DIOS - программа моделирования многомерных процессов для полупроводниковых приборов. Она позволяет моделировать последовательности изготовления, включая травление/осаждение, ионное легирование и диффузию/окисление с идентичными моделями в одном и двух измерениях. Некоторые из возможностей доступны даже в трех измерениях.

Для моделирования структуры взята подложка />-типа, легированная бором, с ориентацией (111) и сопротивлением Rqh = Ю Ом.

1\мтс) 2 ,

В подложку проводилась ионная имплантация бора со следующими параметрами: энергия Е = 20 кэВ и доза Dose — 1014 см-2. Затем примесь разгонялась вглубь подложки методом диффузии со следующими параметрами: температура Т = 950 °С, время î = 20 мин. По окончании процесса диффузии удаляется окисел и наращивается эпитаксиальный слой /»-типа с постоянной концентрацией толщиной 1 мкм и сопротивлением 0,015 Ом. Далее наращивается следующий эпитаксиальный слой л-типа постоянной концентрации и сопротивлением 0,0094 Ом.

На основе сформированного профиля распределения концентрации примеси осуществлено моделирование электрических характеристик структуры. Зависимости емкости и коэффициента нелинейности от напряжения приведены на рисунках 5 и 6.

2 i

Нифини^К

Рисунок 5 - Зависимость емкости варикапа от напряжения

I"г I I 7 I""г11 I | I 11 I"Т1 { I 111111 |1

12 3 4

Напряжение, В

Рисунок 6 — Зависимость коэффициента нелинейности варикапа от напряжения

Как видно из рисунков, значения начальной емкости и коэффициента нелинейности ниже по сравнению со значениями, о которых говорилось во второй главе. Это связано с принятыми приближениями и тем, что не учитывалась емкость, вносимая контактами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

2. Получены электрические характеристики варикапа со сверхрезким р-п-переходом и определен диапазон значений легирующей концентрации примеси, необходимый для получения максимального значения начальной удельной емкости.

3. Определены технологические режимы изготовления нелинейной емкости с заданным законом распределения концентрации примеси, установлены оптимальные значения технологических параметров ионной имплантации и параметра теории - градиент-

ного коэффициента. При этом достигаются значения коэффициента нелинейности в интервале от 1 до 3 В-1.

4. Проведено моделирование в системе сквозного моделирования ШЕ ТСАБ 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.

Основные публикации по теме диссертации

1. Соловьев В. А. Нелинейная емкость со сверхрезким р-я-переходом / В. А. Соловьев, А. Н. Головяшкин // Современные информационные и электронные технологии: Тр. II Между-нар. науч.-практ. конф. - Одесса, 2001. - С. 329-330.

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

3. Соловьев В. А. Улучшение основных характеристик варикапа за счет изменения профиля распределения примеси // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: Тез. докл. III Между-нар. науч.-техн. конф. - Саранск, 2001. - С. 108.

4. Соловьев В. А. Технология получения варикапа со сверхрезким р-п-переходом: Сб. материалов I Рос. конф. молодых ученых по физическому материаловедению. — Калуга, 2001. — С. 73.

5. Соловьев В. А. Нелинейность варикапа со сверхрезким р-л-переходом / Р. М. Печерская, В. А. Соловьев: Тез. докл. УШ Всерос. науч. конф. студентов - физиков и молодых ученых. - Екатеринбург, 2002. - С. 269-271.

6. Соловьев В. А. Моделирование физических процессов, протекающих в твердом теле / Р. М. Печерская, В. А. Соловьев: Тез. докл. УШ Всерос. науч. конф. студентов - физиков и молодых ученых. - Екатеринбург, 2002. - С. 755-756.

7. Соловьев В. А. Лабораторный практикум по технологическим дисциплинам / В. А. Соловьев, И. А. Аверин, Д. В. Лежнев // Университетское образование: Сб. материалов VI Между-нар. науч.-метод. конф. - Пенза, 2002. - С. 409-411.

8. Соловьев В. А. Автоматизированный электронный учебный курс / В. А. Соловьев, Р. М. Печерская: Тез. докл. IX Всерос. на-

уч. конф. студентов - физиков и молодых ученых. - Екатеринбург; Красноярск, 2003. - С. 1042-1044.

9. Соловьев В. А. Моделирование варикапа со сверхрезким -переходом в системе сквозного моделирования полупроводниковых приборов ISE TCAD Release 7.0: Тез. докл. X Всерос. науч. конф. студентов — физиков и молодых ученых. — Екатеринбург; Москва, 2004. - С. 981-983.

10. Соловьев В. А. Автоматизированный электронный учебный курс по дисциплине «Твердотельная электроника». — М.: ВНТИЦ, 2003. - № 50200300180.

Соловьев Виталий Анатольевич

Варикап со ступенчато-градиентным профилем распределения концентрации примеси

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Редактор В. В. Чувашова

Технический редактор Н. А. Вьялкова

Корректор Ж. А. Лубенцова Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

ИД №06494 от 26.12.01

Сдано в производство 31.03.05. Формат 60х84'/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Заказ N° 195. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета. 440026, Пенза, Красная, 40. Отпечатано в типографии ПГУ

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.

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.

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

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.