硅集成电路工艺基础 (2)2.pptVIP

假设杂质不蒸发，硅片厚度远大于杂质要扩散的深度。则边界条件为：在上面的初始条件和边界条件下，求解扩散方程，得到有限表面源扩散的杂质分布情况：式中，exp(-x2/4Dt)为高斯函数。第28页，共63页，星期日，2025年，2月5日①杂质分布形式有限表面源扩散的主要特点扩散温度相同时，扩散时间越长，杂质扩散的越深，表面浓度越低。扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散的越深，表面浓度下降越多。温度相同时，杂质的分布情况随扩散时间的变化如图所示，有限表面源扩散在整个扩散过程中杂质数量保持不变，各条分析曲线下面所包围的面积相等。有限源扩散的表面杂质浓度是可以控制的，任意时刻t的表面浓度：杂质分布为：第29页，共63页，星期日，2025年，2月5日②结深如果衬底中原有杂质与扩散的杂质具有不同的导电类型，则在两种杂质浓度相等处形成p-n结，结深可由下式求出：则结深为A与比值Cs/CB有关，但因为杂质浓度Cs(t)随时间变化，所以A也随时间变化，这与恒定源扩散情况（A是常数）不同。对于有限源扩散来说，扩散时间较短时，结深xj将随(Dt)1/2的增加而增加。在杂质分布形式相同的情况下，CB越大，结深越浅。第30页，共63页，星期日，2025年，2月5日③杂质浓度梯度任意位置x处的杂质浓度梯度在p-n结处的杂质梯度为杂质浓度梯度将随扩散结深的增加而减小。第31页，共63页，星期日，2025年，2月5日3.3.3两步扩散实际的扩散温度一般为900-1200℃，在这个温度范围内，杂质在硅中的固溶度随温度变化不大，采用恒定表面源扩散很难通过改变温度来控制表面浓度，而且很难得到低表面浓度的杂质分布形式。两步扩散：采用两种扩散结合的方式。第一步称为预扩散或者预淀积：在较低温度下，采用恒定表面源扩散方式。在硅片表面扩散一层数量一定，按余误差函数形式分布的杂质。由于温度较低，且时间较短，杂质扩散的很浅，可认为杂质是均匀分布在一薄层内，目的是为了控制扩散杂质的数量。第二步称为主扩散或者再分布：将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在较高温度下进行扩散。主扩散的目的是为了控制表面浓度和扩散深度。两步扩散后的杂质最终分布形式：D预t预D主t主，主扩散起决定作用，杂质基本按高斯函数分布。第32页，共63页，星期日，2025年，2月5日3.4、影响杂质分布的其他因素前面求解扩散方程时，作了一些理想化的假设，且影响杂质扩散的某些因素没有考虑，实际扩散杂质的分布与理论计算的结果有一定的差异，随着集成度的提高，器件尺寸越来越小，杂质扩散深度越来越浅，需要考虑影响杂质分布的其它因素。硅中的点缺陷杂质浓度对扩散系数的影响氧化增强扩散发射区推进效应第33页，共63页，星期日，2025年，2月5日3.4.1硅中的点缺陷实验发现硅中杂质原子的扩散，除了与空位有关外，还与硅中其他类型的点缺陷有着密切的关系。硅中的点缺陷分为三类：替位缺陷：是指位于晶格位置上的杂质原子，用A表示。空位缺陷：是指晶格位置上缺失一个硅原子，用V表示。间隙类缺陷：包括自间隙缺陷和间隙原子团。自间隙缺陷：硅晶格间隙位置上的硅原子，用I表示。间隙原子团：是由两个或两个以上的间隙原子形成。组成间隙原子团的两个原子可以都是硅原子(I缺陷)；或者是一个硅原子和一个掺杂原子(AI缺陷)。第34页，共63页，星期日，2025年，2月5日杂质与空位的反应：替位型杂质扩散机制：杂质原子运动到近邻的空位上Ai：间隙位置上的一个杂质原子AV：空位附近的一个杂质原子AI：间隙原子团中的一个杂质原子在扩散的过程中，晶格上的杂质原子（A）与缺陷之间的结合方式为：AV，AI，Ai，可用以下反应来描述。第35页，共63页，星期日，2025年，2月5日一个间隙硅原子把一个处在晶格位置上的替位杂质“踢出”，使这个杂质处在晶体间隙位置上，而这个硅原子却占据了晶格位置。硅原子“踢出”处在晶格位置上杂质的示意图替位杂质与间隙的反应：第36页，共63页，星期日，2025年，2月5日被“踢出”的杂质以间隙方式进行扩散运动。当它遇到空位时可被俘获，成为替位杂质；也可能在运动过程中“踢出”晶格位置上的硅原子进入晶格位置，成为替位杂质，被“踢出”硅原子变为间隙原子。原来认为B和P是只能靠空位机制才能运动的杂质，实际上，考虑到