微细加工扩散.ppt
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1、第第 3 章章 扩扩 散散 “扩散扩散扩散扩散”是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类是一种基本的掺杂技术。通过扩散可将一定种类和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中,以改变其电学性质。掺和数量的杂质掺入硅片或其它晶体中,以改变其电学性质。掺杂可形成杂可形成 PN 结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、结、双极晶体管的基区、发射区、隔离区和隐埋区、MOS 晶体管的源区、漏区和阱区晶体管的源区、漏区和阱区,以及扩散电阻、互连引线、,以及扩散电阻、互连引线、多晶硅电极等。多晶硅电极等。在硅中掺入少量在硅中掺入少量 族元素可获得族元素可获得 P 型半导体,掺入少量型半导体,掺入少量族族元素可获
2、得元素可获得 N 型半导体。掺杂的浓度范围为型半导体。掺杂的浓度范围为 1014 1021 cm-3,而而硅的原子密度是硅的原子密度是 5 1022 cm-3,所以掺杂浓度为所以掺杂浓度为 1017 cm-3 时,相当时,相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。掺杂技术的种类掺杂技术的种类扩散扩散扩散扩散离子注入离子注入中子嬗变中子嬗变 3.1 一维一维费克费克扩散方程扩散方程 本本质质上上,扩扩散散是是微微观观粒粒子子作作不不规规则则热热运运动动的的统统计计结结果果。这这种种运运动动总总是是由由粒粒子子浓浓度度较较高高的的地地方方向向着着浓浓度度较较低低的的地
3、地方方进进行行,从从而而使使得得粒粒子子的的分分布布逐逐渐渐趋趋于于均均匀匀。浓浓浓浓度度度度差差差差越越越越大大大大,温温温温度度度度越越越越高高高高,扩散就越快。扩散就越快。扩散就越快。扩散就越快。在在一一维维情情况况下下,单单位位时时间间内内垂垂直直扩扩散散通通过过单单位位面面积积的的粒粒子子数数,即即扩扩散散粒粒子子的的流流密密度度 J(x,t),与与粒粒子子的的浓浓度度梯梯度度成成正正比比,即即 费克第一定律,费克第一定律,费克第一定律,费克第一定律,式式中中,负负号号表表示示扩扩散散由由高高浓浓度度处处向向着着低低浓浓度度处处进进行行。比比例例系系数数 D 称称为为粒粒子子的的 扩
4、扩扩扩散散散散系系系系数数数数,取取决决于于粒粒子子种种类类和和扩扩散散温温度度。典典型型的的扩扩散散温温度度为为 9001200。D 的的大大小小直直接接表表征征着着该该种种粒粒子子扩扩散散的快慢。的快慢。将费克第一定律将费克第一定律 针针对对不不同同边边界界条条件件和和初初始始条条件件可可求求出出方方程程的的解解,得得出出杂杂质质浓度浓度 N(x,t)的分布,即的分布,即 N 与与 x 和和 t 的关系。的关系。上式又称为上式又称为 费克第二定律费克第二定律费克第二定律费克第二定律。假定杂质扩散系数假定杂质扩散系数 D 是与杂质浓度是与杂质浓度 N 无关的常数,则可得到杂无关的常数,则可得
5、到杂质的质的 扩散方程扩散方程扩散方程扩散方程代入代入 连续性方程连续性方程连续性方程连续性方程 3.2 扩散的原子模型扩散的原子模型 杂质原子在半导体中进行扩散的方式有两种。以硅中的扩杂质原子在半导体中进行扩散的方式有两种。以硅中的扩散为例,散为例,O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg 等不易与硅原子键合等不易与硅原子键合的杂质原子,从半导体晶格的间隙中挤进去,即所谓的杂质原子,从半导体晶格的间隙中挤进去,即所谓“填隙式填隙式填隙式填隙式”扩散;而扩散;而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等容易与硅原子键合等容易与硅原子键合的杂质原子,则主要代替硅原子而占据格点的位置,再依靠周的杂质
6、原子,则主要代替硅原子而占据格点的位置,再依靠周围空的格点(即围空的格点(即 空位空位空位空位)进行扩散)进行扩散,即所谓,即所谓 “替位式替位式替位式替位式”扩散。扩散。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。其中其中 Ea0、Ea-等代表等代表 扩散激活能扩散激活能扩散激活能扩散激活能,D00、D0-等代表与温度无关的等代表与温度无关的常数,取决于晶格振动频率和晶格几何结构。常数,取决于晶格振动频率和晶格几何结构。对对于于替替位位式式杂杂质质,不不同同带带电电状状态态的的空空位位将将产产
7、生生不不同同的的扩扩散散系系数数,实实际际的的扩扩散散系系数数 D 是是所所有有不不同同带带电电状状态态空空位位的的扩扩散散系系数数的加权总和,即的加权总和,即式中,式中,ni 代表代表 扩散温度下扩散温度下扩散温度下扩散温度下 的本征载流子浓度;的本征载流子浓度;n 与与 p 分别代表分别代表扩散温度下扩散温度下扩散温度下扩散温度下 的电子与空穴浓度,可由下式求得的电子与空穴浓度,可由下式求得 1 1、恒定表面浓度扩散、恒定表面浓度扩散、恒定表面浓度扩散、恒定表面浓度扩散式中,式中,erfc 代表余误差函数;代表余误差函数;称为特征扩散长度。称为特征扩散长度。由上述边界条件与初始条件可求出扩
8、散方程的解,即恒定由上述边界条件与初始条件可求出扩散方程的解,即恒定表面浓度扩散的杂质分布情况,为表面浓度扩散的杂质分布情况,为 余误差函数分布余误差函数分布余误差函数分布余误差函数分布,3.3 费克定律费克定律的分析解的分析解 边界条件边界条件 1 N(0,t)=NS 边界条件边界条件 2 N(,t)=0 初始条件初始条件 N(x,0)=0 在整个扩散过程中,杂质不断进入硅中,而表面杂质浓度在整个扩散过程中,杂质不断进入硅中,而表面杂质浓度在整个扩散过程中,杂质不断进入硅中,而表面杂质浓度在整个扩散过程中,杂质不断进入硅中,而表面杂质浓度N NS S 始终保持不变。始终保持不变。始终保持不变
9、。始终保持不变。恒定表面浓度扩散的主要特点恒定表面浓度扩散的主要特点恒定表面浓度扩散的主要特点恒定表面浓度扩散的主要特点 (1)杂杂质质表表面面浓浓度度 NS 由由该该种种杂杂质质在在扩扩散散温温度度下下的的固固溶溶度度所所决定。当扩散温度不变时,表面杂质浓度维持不变;决定。当扩散温度不变时,表面杂质浓度维持不变;(2)扩扩散散的的时时间间越越长长,扩扩散散温温度度越越高高,则则扩扩散散进进入入硅硅片片内内单位面积的杂质总量单位面积的杂质总量单位面积的杂质总量单位面积的杂质总量(称为(称为 杂质剂量杂质剂量杂质剂量杂质剂量 QT)就越多;就越多;(3)扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越
10、深。扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越深。扩扩扩扩散散散散开开开开始始始始时时时时,表表表表面面面面放放放放入入入入一一一一定定定定量量量量的的的的杂杂杂杂质质质质源源源源,而而而而在在在在以以以以后后后后的的的的扩扩扩扩散散散散过过过过程程程程中中中中不不不不再再再再有有有有杂杂杂杂质质质质加加加加入入入入。假假定定扩扩散散开开始始时时硅硅片片表表面面极极薄薄一一层层内内单单位位面面积积的的杂杂质质总总量量为为 QT,杂杂质质的的扩扩散散长长度度远远大大于于该该层层厚厚度度,则则杂杂质质的的初初始始分分布布可可取取为为 函函数数,扩扩散散方方程程的的初初始始条条件件和和边边界界条件为
11、条件为 这时扩散方程的解为中心在这时扩散方程的解为中心在 x=0 处的处的 高斯分布高斯分布高斯分布高斯分布 2 2、恒定杂质总量扩散、恒定杂质总量扩散、恒定杂质总量扩散、恒定杂质总量扩散 恒定杂质总量扩散的主要特点恒定杂质总量扩散的主要特点恒定杂质总量扩散的主要特点恒定杂质总量扩散的主要特点 (1)在整个扩散过程中,杂质总量)在整个扩散过程中,杂质总量 QT 保持不变;保持不变;(2)扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越深;)扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越深;(3)扩扩散散时时间间越越长长,扩扩散散温温度度越越高高,表表面面浓浓度度 NS 越越低低,即即表面杂质浓度可控。表
12、面杂质浓度可控。3 3、两步扩散、两步扩散、两步扩散、两步扩散 恒恒定定表表面面浓浓度度扩扩散散适适宜宜于于制制作作高高表表面面杂杂质质浓浓度度的的浅浅结结,但但是是难难以以制制作作低低表表面面浓浓度度的的结结。而而恒恒定定杂杂质质总总量量扩扩散散则则需需要要事事先先在硅片中引入一定量的杂质。在硅片中引入一定量的杂质。为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求,为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求,实际生产中常采用两步扩散工艺:实际生产中常采用两步扩散工艺:第一步称为第一步称为预扩散预扩散预扩散预扩散 或或 预淀积预淀积预淀积预淀积,在较低的温度下,采用恒定,在较低的温度下,
13、采用恒定表面浓度扩散方式在硅片表面扩散一薄层杂质原子,目的在于表面浓度扩散方式在硅片表面扩散一薄层杂质原子,目的在于确定进入硅片的杂质总量;确定进入硅片的杂质总量;第二步称为第二步称为 主扩散主扩散主扩散主扩散 或或 再分布再分布再分布再分布 或或 推进扩散推进扩散推进扩散推进扩散 ,在较高的温度,在较高的温度下,采用恒定杂质总量扩散方式,让淀积在表面的杂质继续往下,采用恒定杂质总量扩散方式,让淀积在表面的杂质继续往硅片中扩散,目的在于控制扩散深度和表面浓度。硅片中扩散,目的在于控制扩散深度和表面浓度。例如,例如,例如,例如,双极晶体管中基区的硼扩散双极晶体管中基区的硼扩散,一般采用两步扩散。
14、,一般采用两步扩散。因硼在硅中的固溶度随温度变化较小,一般在因硼在硅中的固溶度随温度变化较小,一般在 1020 cm-3 以上,以上,而通常要求基区的表面浓度在而通常要求基区的表面浓度在 1018cm-3,因此必须采用第二步因此必须采用第二步再分布来得到较低的表面浓度。再分布来得到较低的表面浓度。第一步恒定表面浓度扩散,淀积到硅片上的杂质总量为第一步恒定表面浓度扩散,淀积到硅片上的杂质总量为 D2 代表再分布温度下的杂质扩散系数,代表再分布温度下的杂质扩散系数,t2 代表再分布时间。代表再分布时间。再分布后的表面杂质浓度为再分布后的表面杂质浓度为 D1 代表预淀积温度下的杂质扩散系数,代表预淀
15、积温度下的杂质扩散系数,t1 代表预淀积时间,代表预淀积时间,NS1 代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似为为 函数,则可求出再分布后的杂质浓度分布为函数,则可求出再分布后的杂质浓度分布为 还可求出再分布后的结深。设衬底杂质浓度为还可求出再分布后的结深。设衬底杂质浓度为 NB,即可解得即可解得 令令 前前面面得得出出的的扩扩散散后后的的杂杂质质分分布布是是采采用用理理想想化化假假设设的的结结果果,而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异,主要有而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异,主要有 1 1、二维扩散(横向扩散)、二维
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