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第三章 扩散工艺.ppt


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文档列表 文档介绍
第三章 扩散工艺
第一页,共46页。
概述
扩散原理(模型与公式)
实际扩散分布的分析
扩散工艺和设备
扩散工艺质量检测
主要内容
第二页,共46页。
概述
掺杂——将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材3.2可以简化为:
因为沿硅片深度方向的扩散是主要的关注之一,所以也可把位置变量用沿着硅圆片深度方向(Z)取代,上式可改写为:
上式被称为菲克简单扩散方程
(3.3)
第十四页,共46页。
1.3扩散形式
扩散工艺是要将具有电活性的杂质,在一定温度,以一定速率扩散到衬底硅的特定位置,得到所需的掺杂浓度以及掺杂类型。
两种方式:恒定表面源扩散和限定表面源扩散
扩散工艺重要的工艺参数包括:
①杂质的分布
②表面浓度
③结深
④掺入杂质总量
第十五页,共46页。
预淀积扩散(菲克定律的第一类解):杂质源通常为气相源,原子自源蒸气输运到硅片表面,并扩散到硅内,在扩散过程中源蒸气保持恒定的表面浓度,这种扩散称为预淀积扩散,又称为恒定表面源扩散
时间t=0时,初始条件:C(x,0)=0
边界条件:C(0,t)=Cs
以及: C(∞,t)=0
满足上述初始条件和边界条件的式(3.2)的解为
式中:Cs—恒定表面浓度
D—扩散系数
—特征扩散长度
erfc 是余误差函数,x为距离坐标
第十六页,共46页。
时间越长,扩散深度越深,表面浓度不变前式对 x 积分,就可以得到扩散杂质剂量随时间变化的关系:
恒定表面源扩散杂质浓度分布图
——扩散入硅片单位表面的杂质总量
在实际工艺中,Cs的值一般都是杂质在硅中的固溶度。
固溶度:平衡态下,杂质可溶于半导体材料中的最高浓度,与温度有关。
(3.4)
x
CB
Cs
xj1 xj2 xj3
C(x,t)
t1
t2
t3
0
t3>t2>t1
第十七页,共46页。
如果衬底杂质浓度为CB,扩散杂质与衬底杂质反型,计算扩散形成的PN结结深:
由于
可得结深
Cs
Z
CB
t1
t2 >t1
0
C(z)
恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布,延长扩散时间: ①表面杂质浓度不变; ②结深增加; ③扩入杂质总量增加; ④杂质浓度梯度减小。
第十八页,共46页。
在硅片的扩散过程中,硅片内的杂质总量保持不变,没有外来杂质补充,仅限于扩散前积累在硅片表面无限薄层内的有限数量的杂质,向硅片体内扩散,又称“限定源”或“再分布”。
﹡假设扩散开始时杂质总量Q0均匀分布在厚度为h的一个薄层内,不考虑硅片衬底杂质浓度的条件下:
(2)恒定杂质总量扩散
x
h
第十九页,共46页。
根据上述边界条件,菲克定律的解是一个中心在 x=0 处的高斯分布:
, t2 >0
表面浓度 CS 随时间而降低:
延长扩散时间(提高扩散温度T ): ①杂质表面浓度迅速减小;②杂质总量不变; ③结深增加; ④杂质浓度梯度减小。
X
Xj1 Xj2 Xj3
Cs
Cs’
Cs”
t1
t2
t3
C(x,t)
CB

t3>t2>t1
第二十页,共46页。
如果衬底杂质浓度为CB,扩散杂质与衬底杂质反型,计算扩散形成的PN结结深:
由于
可得结深
第二十一页,共46页。
在实际工艺中,往往用“预淀积”+“再分布”的两步扩散法。
第一步:在较低的温度下进行短时间的恒定表面源扩散,扩散深度很浅,目的是控制进入硅片的杂质总量,称“预淀积);
第二步:以预扩散杂质分布作为掺杂源,高温下进行有限表面源的推进扩散,使杂质向硅片内部推进,重新分布,通过控制扩散温度和时间以获得预期的表面浓度和结深(分布),又称“再分布”、主扩散。
作用:较好地解决了表面浓度、结深与扩散温度、时间之间的矛盾。
(3)两步扩散法
第二十二页,共46页。
预淀积扩散
(4)计算两步扩散法的杂质分布
初始条件:C(z,0)=0 边界条件:C(0,t)=Cs,以及: C(∞,t)=0,扩散后的杂质分布:
预淀积
预淀积
扩散后的杂质总量:
假设预淀积扩散的扩散系数为D1,扩散时间t1为, 上式改为:
第二十三页,共46页。
有限表面源扩散(推进扩散)
(4)计算两步扩散法的杂质分布
假设推进扩散的扩散系数为D2,扩散时间t2为, 上式改为:
初始条件,边界条件:
扩散后的杂质分布:
推进扩散

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