硅集成电路工艺——扩散(Diffusion).ppt

扩散(Diffusion)
杂质掺杂
Impurity doping
扩散(Diffusion)
通过高温扩散的方式,杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物扩散或淀积到硅片表面并进一步扩散到体内形成掺杂
离子注入(Ion implantation)
杂质原子以离子束的形式注入到硅片内,形成掺杂
将可控制数量的杂质掺入到半导体内,主要目的就是要改变半导体的电特性
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扩散示意图及结深的定义
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两种掺杂方法的比较
扩散:
高温扩散方式,杂质掺入无方向性
杂质浓度从表面到体内单调下降
杂质分布主要由扩散温度和时间决定
一般用于形成深结
离子注入:
离子束注入方式,杂质掺入直进性
杂质浓度在体内有峰值分布
杂质分布主要由离子质量和注入能量决定
一般用于形成浅结
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扩散的缺点
横向扩散,工艺难以控制
在高精度场合逐渐被离子注入取代
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§ 杂质扩散机构(机理,机制)
间隙式扩散:
间隙式杂质从一个间隙位置运动到另一个间隙位置
间隙位置: 势能min
相邻两间隙位置: 势能max
势垒高度:Wi=~ eV
主要与晶格结构与晶向有关,原子
密度越大,间隙越小, Wi就越大
运动条件:E> Wi
跳跃率:Pi=V0 exp(-Wi/kT)
替位式扩散:
替位式杂质从一个替位位置运动到另一个替位位置
(a) 直接交换(打断6个键)
(b) 空位交换(打断3个键,主要)
间隙位置: 势能max
晶格位置: 势能min
势垒高度: Ws
运动条件:E> Ws;该离子邻位正好出现一空位(n/N=exp(-Wv/kT))
跳跃率:Pv=exp(-Wv/kT)V0 exp(-Ws/kT) = V0 exp[-(Ws+Wv)/kT]
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§ 扩散系数与扩散方程
菲克(Fick)第一定律:
J= -D[əC(x,t)/ əx]
杂质的扩散流密度正比于杂质浓度梯度,比例系数D定义位杂质在基体中的扩散系数
扩散系数:
J(x,t)=C(x-a/2,t)Pva-C(x+a/2,t)Pva
D=a²Pv
=a²v0exp[-(Ws+Wv)/kT]
=D0exp(-ΔE/kT)
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扩散方程
扩散方程(菲克第二定律):
C(x,t)ΔsΔx-C(x,t+Δt) ΔsΔx=
-[C(x,t+Δt)-C(x,t)]ΔsΔx
J(x+Δx,t) Δs Δt-J(x,t) Δs Δt=
[J(x+ Δx,t)- J(x,t)] Δs Δt
-əC(x,t)/ ət= əJ(x,t)/əx = ə[D əC(x,t)/ ət]/ əx
=D ə²C(x,t)/ əx²
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§ 扩散杂质分布
恒定表面源扩散:
边界条件:C(0,t)=Cs; C(∞,t)=0
初始条件:C(x,0)= 0, x>0
C(x,t)= Cs[1-erf(x/2(Dt)1/2)]
= Cs erfc(x/2(Dt)1/2)
Q(t) = 2Cs(Dt/ π)1/2
Xj = 2(Dt)1/2erfc-1(CB/Cs)
有限表面源扩散:
边界条件:C(x,0)=0 x>h;
C(∞,t)=0
初始条件:C(x,0)=Cs(0)=Q/h
0<x<h
C(x,t) = Q/(πDt)1/2 exp(-x2/4Dt)
=Cs(t) exp(-x2/4Dt)
Xj = 2(Dt)1/2[ln(Cs/CB)]1/2
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两步扩散
两步扩散(控制表面浓度,杂质数量,结深等指标)
预扩散(预淀积)(predeposition)
主扩散(再分布)(drive-in)
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