Al abrir el simulador obtenemos una pantalla como la que se muestra en la Figura: Vemos que aparecen dos ventanas grandes: Una en la parte superior (Ventana de proceso) : En ella aparecerán registrados los procesos que vayamos realizando (oxidación, implantación iónica, etc.) En ella aparece el menú rápido que muestra diferentes iconos para posibilitar tanto la definición del material como la simulación de los diferentes procesos, exposición de resultados en pantalla, etc. Substrato Depositar Oxidar Implantar Plot Salvar Grid Grabado (etch) Epitaxia Parametros del Plot Imprimir Menú rapido Cada proceso que realicemos: definición de mallado, de substrato, epitaxia, representación de resultados, etc. se mostrará en una línea diferente, posibilitando de nuevo su posible edición y modificación. Una en la parte inferior (Ventana de documento) En esta ventana, una vez ejecutada la simulación, aparecerá la información detallada de cada uno de los procesos realizados. Existe la posibilidad de guardar este documento con extensión de documento de texto.
1. Tenemos un menú típico de Windows en la parte superior. Podemos expandir estos menus y observamos: File (típico de Windows) Edit (contenido típico de Windows) Process Comands: Contiene los procesos más importantes del programa ICECREM: Dentro del primer bloque están los 5 primeros pasos que se deben realizar para comenzar cualquier simulación: New Process: En primer lugar, una vez abierto un nuevo fichero, debemos introducir un nombre al proceso. De este modo se añadirá una línea a la ventana El parámetro de este comando es : TITLE Numerical Grid: Siempre es necesario definir un mallado de la estructura que se vaya a simular definiendo tanto el grosor de la malla unidimensional como el tamaño máximo del dispositivo (en micras) Los parámetros de este comando son : DXSI: 0.01 µm (por ejemplo),xmax: 1 µm (por ejemplo) (DXSI debe ser 5e-2 veces menor que el valor de XMAX) También se puede acceder a este comando: mediante el menú rápido: Comment: Si queremos añadir algún comentario a nuestro fichero El parámetro de este comando es : COMMENT Substrate definition: Siempre es necesario definir el substrato. Permite detallar diferentes parámetros del material de Silicio de partida: 1. La orientación del substrato. Parámetro: ORNT que nos permitirá elegir si realizamos la simulación en una oblea de Si tipo [1000] o [111].
2. El dopaje de la oblea. Parámetro: ELEM: nos permite partir en nuestra simulación de un lingote dopado de diferentes elementos: Al, Sb, As, B, Ga, P 3. En el caso en que realicemos un dopaje, nos permite definir la densidad de impurezas. Parámetro: CONC (cm -3 ) 4. Es posible también introducir este mismo dato a partir de la resistividad de la muestra. Parámetro: RESIST (Ohm cm). Si modificamos la resistividad se cambiará automáticamente CONC y viceversa. (A mayor concentración, menor resistividad) 5. El grosor de la oblea. Parámetro: WAFTHI (µm) A medida que vamos introduciendo estos datos, aparece un resumen de la ejecución de la simulación en la Ventana de documento Dentro del segundo bloque están los 5 PROCESOS DE FABRICACION FUNDAMENTALES: 1. Ion Implantation: Aparece el siguiente menú: Basicamente es posible elegir: El elemento a implantar: Boro, Al, Sb, As, Ga, P, etc. La energía de implantación (en kev) La dosis de implantación (en cm -2 ) Al introducir la energía y la dosis, el rango proyectado y las desviaciones estándar se ajustan automáticamente (se puede ver una vez realizada la simulación)
2. Oxidation/Diffusion: (el proceso de creación de un óxido nativo y del difusión se realizan mediante este comando y también el de recocido): Aparece el siguiente menú A. Parametros típicos básicos que requiere el proceso: Temperatura Tiempo Si solo se le dan estos dos parámetros, el programa calcula por si mismo el grosor del material oxidado para cualquier Modo B. En caso contrario, podemos introducir el parámetro Final oxide thickness : de este modo fijamos el grosor de la capa de oxidación, por lo que no va a tener en cuente el tiempo que este puesto en el parámetro TIME C. Parámetro de Modo: permite realizar diferentes tipos de oxidaciones: Ambiente inerte: en este caso no se produce oxidación sino una pre-deposición: IMPORTANTE: Por tanto, dependiendo del tiempo y de la Tª la difusión va a modificarse como la funcion Error : erf (dopaje ilimitado en el límite) Es posible realizar posteriormente una fase de drive-in: o recocido para que nuestro (la función toma forma de Gaussiana). Hay que tener en cuenta los procesos posteriores de alta Tª que se van a realizar Oxidación seca,oxidación húmeda,modelo general de oxidación, Implantación de alta temperatura
3. Oxide deposition: Este programa únicamente permite realizar la deposición de una capa de óxido (no es posible realizar deposiciones de otros aislantes o de conductores) Los parámetros de la deposición son: Grosor de óxido total Elementos depositados en el óxido:es posible añadir al óxido diferentes dopantes: Al, Sb, As, B, Ga, P Concentration: los dopantes se pueden añadir en la concentración deseada 3. Etching: Este comando sirve para eliminar parte de semiconductor (Silicio) o del óxido (SiO 2 ) que han sido crecidos o depositados previamente. Los parámetros del grabado son: Grosor del óxido que permanece (en µm) Grosor de la capa de silicio atacado: (en µm) Con el grabado o etching, cambian las impurezas del substrato que se difunden en el óxido: no conocemos la Tª a la que se realiza Epitaxy: Este comando sirve para realizar un crecimiento epitaxial de una capa de semiconductor Los principales parámetros del crecimiento epitaxial son: Elemento : sólo permite dopar la capa crecida con : Boro, Fósforo y Arsénico Temperatura: (ºC),Tiempo: (en min), Initial dopan concentration
Dentro del tercer bloque están los 3 MODELOS DE DIFUSION (se puede modificar el coeficiente de difusión, su energía de activación), de DEFECTOS PUNTUALES (da información sobre vacantes e intersticiales), DE PARAMETROS DE MODELO DE OXIDACION (Deal Grove, etc.) Dentro del cuarto bloque tenemos los comandos para realizar la exposición gráfica de resultados, impresión, etc. Plot Parameters: Este comando sirve para definir los parámetros principales de los gráficos en los que se van a mostrar los resultados de la simulación Los principales parámetros del Plot Parameters son: Longitud total del eje x y Longitud total del eje y : longitudes de los ejes de las gráficas Número de décadas en el eje y: la concentración la dibuja en escala exponencial (por eso nos pide el número de décadas completas que podemos visualizar), ejemplo. Desde 10 11 cm -3-10 20 cm -3 : son 9 décadas
Número máximo de perfiles y Highest concentration of dopants: podemos limitar el número máximo de perfiles y la mayor concentración de dopantes Plot : permite elegir, las concentraciones individuales, las totales, etc. Plot: Este comando sirve para definir ciertos parámetros generales de la gráfica (no confundir con el plot parameter) Los principales parámetros del Plot son: Left boundary Right boundary : ambos limitan el tamaño de oblea que va a dibujar en la gráfica de esta manera es posible hacer un zoom de una región determinada NOTA: siempre va a existir una capa de óxido de grosor = 25 nm de crecimiento térmico seco al final de todo proceso (en x=0) Halt/Resume Execution Este comando de Windows para la ejecución del programa o la activa en el momento deseado
Ejemplo 1 A. Realizar una unión p-n, una posibilidad sería realizar sobre el substrato un crecimiento epitaxial. TITLE TITLE="Dopaje Unión P-N" COMMENT COMMENT="Substrato es tipo N, crecemos capa epitaxial tipo P" GRID DXSI=0.04um XMAX=1um SUBSTR ORNT=100 ELEM=Phosphorus RESIST=10ohm.cm WAFTHI=1525um EPITAXY ELEM=Boron TEMP=1050oC TIME=10min GROWTHR=0.3um/min DOTPRES=1e-010bar PLOT ICECREM for WINDOWS, Version 4.3 Fraunhofer-Institut fuer Integrierte Schaltungen, Bereich Bauelementetechnologie Schottkystrasse 10, D-91058 Erlangen 16 17:35:15 2-MAI-:2 10 PHOSPHORUS BORON 10 15 10 14 10 13 10 12 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 DEPTH IN UM B. Otra posibilidad sería realizar la difusión de la región p sobre el substrato realizarlo. C. Realizar una unión p-n partiendo de un substrato tipo p Ejemplo 2 Estudiar los coeficientes de segregación de diferentes impurezas en la superficie Si/SiO 2 como resultado de una oxidación térmica: (a), (b) Si m<1: el óxido al crecer absorbe las impurezas del Si (Boro).: tenemos los casos de difusión lenta en ambiente seco (a) y rápida en ambiente húmedo (b) (c), (d). Si m>1: el óxido al crecer rechaza la difusión de impurezas. Casos del fósforo (su difusión es lenta en SiO 2 : Casos del P (su difusión es lenta en SiO 2 : (c), y del Ga (su difusión es rápida en SiO 2 (d)
Estudio ICECREM del coeficiente de segregación de impurezas 1. Crecer una capa de semiconductor (dopada con diferentes impurezas: comenzando con el Boro, Ga, observar las diferencias entre oxidación seca y húmeda) TITLE SUBSTR EPITAXY OXIDIZE PARAMS PLOT TITLE="Estudio coef. segregacion" ORNT=111 ELEM=Boron RESIST=10ohm.cm ELEM=Boron TEMP=1050oC TIME=20min GROWTHR=0.2um/min DOTPRES=2e-010bar TEMP=1100oC TIME=35min MODE="Dry oxidation" NDEC=5 TOTAL=TRUE W-RIGHT=0.5um NEW=TRUE ICECREM for WINDOWS, Version 4.3 Fraunhofer-Institut fuer Integrierte Schaltungen, Bereich Bauelementetechnologie Schottkystrasse 10, D-91058 Erlangen 10 17 21:57:14 8-MAI-:2 SiO2 oxthi = 0.0759 BORON 10 16 10 15 10 14 10 13 10 12 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 DEPTH IN UM Ejercicio 3 Realizar el dopaje de un transistor bipolar n + pn por difusiones sucesivas: 1. Definir una oblea dopada con un dopaje bajo = 2 10 15 cm -3 con una impureza aceptadora (tipo p): 2. Realizar el crecimiento epitaxial del colector: dopaje tipo n, igual a 3 10 16 cm -3 y un grosor de 4 µm. Elegir una impureza cuyo coeficiente de difusión haga que sea difícil que sufra excesiva difusión posterior debido a los siguientes procesos 3. Realizar una primera difusión de la base con una impureza aceptadora (tipo p) Formación del transistor bipolar mediante difusiones sucesivas
4. Realizar una segunda difusión para el emisor (más dopado que la base) con un valor máximo de 10 20 cm-3 Ejemplo de resultado ICECREM de un transistor bipolar n + pn (difusiones sucesivas) ICECREM for WINDOWS, Version 4.3 Fraunhofer-Institut fuer Integrierte Schaltungen, Bereich Bauelementetechnologie Schottkystrasse 10, D-91058 Erlangen 21 22:05:57 8-MAI-:2 10 TOTAL 10 20 BORON ARSENIC GALLIUM 10 19 PHOSPHORUS 10 18 10 17 10 16 10 15 10 14 10 13 10 12 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 DEPTH IN UM Ejercicio 4 Realizar el dopaje de un transistor bipolar n+pn por difusiones sucesivas, pero con capa enterrada en el colector Perfiles de dopaje ideales y actuales de un transistor bipolar con capa enterrada Proceso de fabricación real del transistor bipolar con capa enterrada