第3章扩散电子科大mems课件.ppt

1 3.5 常见杂质的扩散系数 硼：浓度在 1020cm-3 以下时，硼的扩散系数中以 D+ 为主，与杂质浓度的关系不大 。浓度超过 1020cm-3 后，有些原子将处于填隙位置 ，或凝结成团，使硼的扩散系数在这个浓度范围内降低。 砷：浓度在 1020cm-3 以下时，砷的扩散系数中以 D0 和 D- 为主。浓度超过 1020cm-3 后，有些原子也将处于填隙位置。 砷在硅中的扩散系数较低，因此常用于浅结扩散中，例如亚微米 NMOS 的源漏区扩散和微波双极晶体管的发射区扩散 。此外，高浓度下填隙原子的增多使扩散分布的顶部变得平坦，高浓度下砷扩散的电场增强效应很明显，这又使得扩散分布的前沿非常陡。结果使砷扩散的分布呈矩形的所谓 箱形分布，这也有利于浅结扩散。 磷：磷的扩散系数比砷高得多，而且扩散分布比较平缓，因此不利于形成浅结。磷扩散可用于较大尺寸 NMOS 的源漏区扩散和低频双极晶体管的发射区扩散；在大功率 MOS 器件中对漏区进行磷扩散可降低漏附近的电场强度；在大规模集成电路中，磷扩散主要用于阱区和隔离区。 3.6 扩散分布的分析 一、薄层电阻 RS（方块电阻 R口）的测量 无穷大样品 有限尺寸样品 测量薄层电阻的方法主要有 四探针法 和 范德堡法。 四探针法 范德堡法 Microelectronic Fabrication MEMS Technology * 第 3 章 扩 散 “扩散” 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。 Oxide Oxide p+ Silicon substrate Diffused region N Dopant gas 掺杂技术的种类 中子嬗变 离子注入 扩散 掺杂可形成 PN 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 ，以及扩散电阻、互连引线、多晶硅电极等。 在硅中掺入少量 Ⅲ 族元素可获得 P 型半导体，掺入少量Ⅴ族元素可获得 N 型半导体。掺杂的浓度范围为 1014 ~ 1021 cm-3，而硅的原子密度是 5 ×1022 cm-3，所以掺杂浓度为 1017 cm-3 时，相当于在硅中仅掺入了百万分之几的杂质。 3.1 一维费克扩散方程 本质上，扩散是微观粒子作不规则热运动的统计结果。这种运动总是由粒子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，从而使得粒子的分布逐渐趋于均匀。浓度差越大，温度越高，扩散就越快。 在一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数，即扩散粒子的流密度 J ( x , t ) ，与粒子的浓度梯度成正比，即 费克第一定律， 式中，负号表示扩散由高浓度处向着低浓度处进行。比例系数 D 称为粒子的 扩散系数，取决于粒子种类和扩散温度。典型的扩散温度为 900℃~1200℃。D 的大小直接表征着该种粒子扩散的快慢。 将费克第一定律 针对不同边界条件和初始条件可求出方程的解，得出杂质浓度 N ( x , t ) 的分布，即 N 与 x 和 t 的关系。 上式又称为 费克第二定律。 假定杂质扩散系数 D 是与杂质浓度 N 无关的常数，则可得到杂质的 扩散方程 代入 连续性方程 3.2 扩散的原子模型 杂质的位置： 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，O、Au、Cu、Fe、Ni、Zn、Mg 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 “填隙式” 扩散；而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 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，再依靠周围空的格点（即 空位）进行扩散 ，即所谓 “替位式” 扩散。填隙式扩散的速度比替位式扩散快得多。 其中 Ea0 、Ea- 等代表 扩散激活能，D00、D0- 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。 对于替位式杂质，不同带电状态的空位将产生不同的扩散系数，实际的扩散系数 D 是所有不同带电状态空位的扩散系数的加权总和，即 式中，ni 代表 扩散温度下 的本征载流子浓度；n 与 p 分别代表扩散温度下 的电子与空穴浓度，可由下式求得 1、恒定表面浓度扩散 式中，erfc 代表余误差函数； 称为特征扩散长度。 由上述边界条件与初始条件可求出扩散