Диффузионное легирование кремния

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Диффузионное легирование кремния

Содержание

3. Основные характеристики диффузионных слоев: - поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси; - глубина залегания p -
5. Вакансионный механизм диффузии При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет 107 - 108 см–3.
6. Для того чтобы атом мог перейти на место вакансии, он должен преодолеть некоторый потенциальный барьер. Вероятноcть
7. Эстафетный механизм диффузии В отличие от междоузельного механизма диффузии, примесные атомы внедряются в узлы кристаллической решетки,
8. Диффузия по междоузлиям Данный механизм сопровождается переходом мигрирующего атома (как правило примесного) из одного положения в
9. Краудионный механизм диффузии
10. Диссоциативный механизм диффузии Данный механизм связан с распадом комплексов молекул и диффузией составляющих их компонент (атомов
11. где J - плотность потока атомов или дефектов вещества, D - коэффициент диффузии, N - концентрация
13. Изменение концентрации растворенного вещества во времени при одномерной диффузии определяется вторым законом Фика
16. 1. Диффузия из бесконечного источника описывается уравнением, (1) где N(x, t) - концентрация примеси на расстоянии
17. Величина постоянной поверхностной концентрации N0 определяется скоростью потока примеси, поступающей к поверхности кристалла Тогда за время
19. Профиль легирования из источника с постоянной концентрацией
20. Диффузия из ограниченного источника Целью второго этапа диффузии является получение заданного распределения примеси. Высоколегированный поверхностный слой
21. Вся примесь считается сосредоточенной в тонком поверхностном слое толщиной h, а распределение примеси в этом слое
22. При диффузии в глубь кристалла поверхностная концентрация примеси будет все время уменьшаться. Начальные условия для решения
23. Решение уравнения Фика имеет вид: и является распределением Гаусса по x. Поверхностная концентрация примеси в момент
24. Распределение примеси для различных значений времени разгонки
25. В реальных условиях для слоев достаточной толщины (несколько микрометров) распределение примеси хорошо описывается функцией Гаусса. Однако
30. Выделение элементарной примеси всегда происходит на поверхности кремния из примесносиликатного стекла, образующегося при осаждении на кремний
31. Второй этап диффузии После загонки примеси образовавшееся на поверхности кремния примесносиликатное стекло должно быть удалено, чтобы
32. Перераспределение примеси при диффузии в окисляющей среде На втором этапе диффузии идут одновременно два конкурирующих процесса
33. На границе двух фаз кремний - окисел кремния будет происходить перераспределение примеси, на которое влияют следующие
34. Если m > 1, то примесь при окислении оттесняется в кремний и ее концентрация на границе
35. Перераспределение примесей на границе раздела Si - SiO2 при диффузии в зависимости от температуры и характера
36. С ростом температуры коэффициент диффузии примеси в кремнии увеличивается быстрее, чем константа B, вследствие чего при
37. Контроль параметров диффузионных слоев К параметрам диффузионного слоя относят глубину залегания p - n-перехода xj, поверхностное
39. Для четкого выявления p - n-перехода (границ областей) применяют химическое окрашивание. Например, при обработке шлифа в
41. Удельное сопротивление слоя, или поверхностное сопротивление (Ом/) определяется по формуле где k - геометрический коэффициент. В
43. Скачать презентацию

Слайд 2

Слайд 3

Основные характеристики диффузионных слоев:
- поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;
- глубина

залегания p - n-перехода или легированного слоя;
- распределение примеси в легированном слое.

Слайд 4

Слайд 5

Вакансионный механизм диффузии
При комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет

107 - 108 см–3. Однако с повышением температуры до 1000 °С она возрастает до 1016 - 1018 см–3

Слайд 6

Для того чтобы атом мог перейти на место вакансии, он должен

преодолеть некоторый потенциальный барьер. Вероятноcть такого перехода пропорциональна exp(–U/kT), где U - высота барьера. Кроме того, необходимо, чтобы вблизи атома оказалась вакансия. Таким образом, вероятность перехода атома из одного узла решетки в другой по вакансионному механизму должна определяться произведением вероятности преодоления потенциального барьера на вероятность обнаружения вакансии рядом с атомом. Последняя пропорциональна , где W - энергия образования вакансии.
Величина называется энергией активации процесса диффузии.

Слайд 7

Эстафетный механизм диффузии
В отличие от междоузельного механизма диффузии, примесные
атомы внедряются

в узлы кристаллической решетки, вытесняя при
этом собственные атомы в междоузльное пространство.

Слайд 8

Диффузия по междоузлиям
Данный механизм сопровождается переходом мигрирующего атома
(как правило примесного)

из одного положения в другое, без его
локализации в узлах кристаллической решетки.

Слайд 9

Краудионный механизм диффузии

Слайд 10

Диссоциативный механизм диффузии
Данный механизм связан с распадом комплексов молекул и
диффузией

составляющих их компонент (атомов или ионов) в
кристаллической решетке.

Слайд 11

где J - плотность потока атомов или дефектов вещества, D -

коэффициент диффузии, N - концентрация атомов или дефектов вещества.

Распределение примесей при диффузии

Слайд 12

Слайд 13

Изменение концентрации растворенного вещества во времени при одномерной диффузии определяется вторым

законом Фика

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

1. Диффузия из бесконечного источника описывается
уравнением, (1)
где N(x, t) -

концентрация примеси на расстоянии x от поверхности, N0 - постоянная поверхностная концентрация примеси, D - коэффициент диффузии примеси при температуре диффузии, t - продолжительность диффузии, erfс(z) - дополнительная функция ошибок.
Начальные условия: N(x, 0)=0. Граничные условия: N(0, t)=N0, N(x>>0, t)=0 .

Слайд 17

Величина постоянной поверхностной концентрации N0 определяется скоростью потока примеси, поступающей к

поверхности кристалла

Тогда за время t в твердое тело поступит количество примеси, определяемое выражением

Это выражение хорошо выполняется в том случае, когда глубина проникновения примеси достаточно велика - превышает несколько микрометров, а концентрация примеси сравнительно невелика - не более 1019 см–3.

Слайд 18

Слайд 19

Профиль легирования из источника с
постоянной концентрацией

Слайд 20

Диффузия из ограниченного источника
Целью второго этапа диффузии является получение заданного распределения

примеси. Высоколегированный поверхностный слой полупроводника, образованный на первом этапе диффузии, служит источником примеси. Поверхность x = 0 считается абсолютно непроницаемой, т.е. поток примеси через эту поверхность в любое время отсутствует, поэтому граничное условие может быть записано в виде

Слайд 21

Вся примесь считается сосредоточенной в тонком поверхностном слое толщиной h, а

распределение примеси в этом слое равномерно. Полное количество примеси в предельном случае определяется величиной поверхностной концентрации N0 и толщиной легированного слоя h.. Полное количество введенной примеси, таким образом, равно

Слайд 22

При диффузии в глубь кристалла поверхностная концентрация примеси будет все время

уменьшаться. Начальные условия для решения второго уравнения Фика могут быть записаны в этом случае следующим образом:

Слайд 23

Решение уравнения Фика имеет вид:
и является распределением Гаусса по x.
Поверхностная концентрация

примеси в момент времени t определяется выражением

Слайд 24

Распределение примеси для различных значений времени разгонки

Слайд 25

В реальных условиях для слоев достаточной толщины (несколько микрометров) распределение примеси

хорошо описывается функцией Гаусса. Однако для слоев малой толщины такого совпадения не наблюдается из-за того, что поверхность не может быть абсолютно непроницаемой для примеси. Практически непроницаемость поверхности обеспечивается созданием на поверхности кремния слоя окисла. Однако на границе кремний - окисел имеет место перераспределение примесей, причем часть примесей (например, бор) вытягивается в окисел. Это необходимо учитывать при определении количества вводимой примеси.

Слайд 26

Слайд 27

Слайд 28

Слайд 29

Слайд 30

Выделение элементарной примеси всегда происходит на поверхности кремния из примесносиликатного стекла,

образующегося при осаждении на кремний независимо от агрегатного состояния источника примеси). Образование примесносиликатного стекла, таким образом, необходимо для успешного проведения легирования полупроводника. Образующееся на поверхности кремния примесносиликатное стекло называется поверхностным источником примеси или локальным источником в отличие от внешнего источника - жидкого, твердого, газообразного. Поверхностный источник представляет собой силикатное стекло, в котором атомы кремния замещены атомами примеси. Молярное соотношение окисла примеси и окисла кремния определяется фазовыми диаграммами состояний соответствующих систем

Слайд 31

Второй этап диффузии
После загонки примеси образовавшееся на поверхности кремния примесносиликатное стекло

должно быть удалено, чтобы при последующей температурной обработке не происходило дальнейшего поступления примеси в полупроводник, а также не было химического взаимодействия примеси с кремнием с образованием труднорастворимых соединений. В то же время, если поверхность кремния остается открытой, то при разгонке примесь из легированного слоя будет испаряться в окружающую среду, тем самым не будут выполняться граничные условия о непроницаемости поверхности при x = 0. Поэтому процесс разгонки примеси проводится в кислородсодержащей среде (в присутствии азота или аргона). Содержание кислорода может составлять 2 - 10 %. Вначале для предотвращения испарения примеси проводят кратковременное (5 - 10 мин) окисление кремния в сухом кислороде, затем содержание кислорода снижают. Разгонку примеси проводят в тех же диффузионных печах, что и загонку.

Слайд 32

Перераспределение примеси при диффузии в окисляющей среде
На втором этапе диффузии идут

одновременно два конкурирующих процесса - диффузия примеси в глубь кристалла и окисление поверхности кремния, обогащенной примесью. От соотношения скоростей этих двух процессов будут зависеть результирующая поверхностная концентрация примеси, глубина залегания p - n-перехода и вид распределения примеси по глубине диффузионного слоя.

Слайд 33

На границе двух фаз кремний - окисел кремния будет происходить перераспределение

примеси, на которое влияют следующие параметры:
- коэффициент сегрегации примеси

равный отношению равновесных концентраций (растворимостей) примесей при данной температуре в кремнии и окисле кремния;
- отношение коэффициентов диффузии примеси в кремнии и окисле кремния при данной температуре

характеризует способность примеси уйти из той части объема кремния, которая переходит в окисел. Если скорость окисления мала, примесь успеет перераспределиться в полупроводнике из поверхностного слоя в более глубокие слои. Если же скорость роста окисла велика, примесь будет захватываться растущим окислом в соответствии с коэффициентом ее сегрегации.

Отношение -

Слайд 34

Если m > 1, то примесь при окислении оттесняется в кремний

и ее концентрация на границе раздела двух фаз возрастает. Если же m < 1, то примесь поглощается окислом и поверхность кремния обедняется ею. Следует учитывать, что при окислении на каждую единицу объема окисла затрачивается 0,44 объема кремния. Поэтому даже при m = 1 поверхность кремния будет слегка обедняться примесью. Меняя окружающую среду и температуру диффузии, можно управлять величиной параболической константы роста окисла B и тем самым управлять перераспределением примеси.

Слайд 35

Перераспределение примесей на границе раздела Si - SiO2 при диффузии в

зависимости от температуры и характера окисляющей среды

Слайд 36

С ростом температуры коэффициент диффузии примеси в кремнии увеличивается быстрее, чем

константа B, вследствие чего при высоких температурах и малой скорости окисления (сухой кислород) обеднение примесью кремния незначительно. При снижении температуры коэффициент диффузии уменьшается (примерно на порядок величины на каждые 100 °С), что приводит к уходу большего числа атомов примеси в окисел. Во влажном кислороде скорость окисления велика, поэтому перераспределение примеси в этом случае больше, однако его температурная зависимость незначительна.

Слайд 37

Контроль параметров диффузионных слоев
К параметрам диффузионного слоя относят глубину залегания p

- n-перехода xj, поверхностное сопротивление слоя Rs (поверхностную концентрацию примеси Ns) и зависимость концентрации примеси от глубины N(x).
Обычно xj измеряют с помощью сферического шлифа. Для этого вращающимся металлическим шаром диаметром 20 - 150 мм, на поверхность которого нанесена алмазная паста, вышлифовывают лунку на поверхности пластины. Образовавшаяся лунка должна быть глубже уровня залегания p - n-перехода

Слайд 38

Слайд 39

Для четкого выявления p - n-перехода (границ областей) применяют химическое окрашивание.

Например, при обработке шлифа в растворе, состоящем из HF (20 вес.ч.) и CuSO4 (100 вес.ч.), покрывается медью n-область. При обработке в плавиковой кислоте с добавкой 0,1%-ной HNO3 темнеют p-области.
После окрашивания в поле инструментального микроскопа должны быть четко видны две концентрические окружности. Измерив с помощью микроскопа длину хорды внешней окружности, касательную к внутренней окружности, можно рассчитать глубину залегания p - n- перехода:
где l - длина хорды; dш - диаметр металлического шара. Погрешность определения xj в этом случае составляет около 2 %

Слайд 40

Слайд 41

Удельное сопротивление слоя, или поверхностное сопротивление (Ом/) определяется по формуле
где k

- геометрический коэффициент.
В случае образцов, диаметр которых много больше расстояния между зондами S, коэффициент
Удельное объемное сопротив-ление (Ом⋅см) слоя связано с Rs:

где σ - удельная проводимость слоя

Диффузионное легирование кремния

Содержание

Основные характеристики диффузионных слоев:- поверхностное сопротивление, или поверхностная концентрация примеси;- глубина

Вакансионный механизм диффузииПри комнатной температуре равновесная концентрация вакансий в кремнии составляет