集成电路工艺基之扩散精选PPT.ppt
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1、第1页,此课件共40页哦杂质掺杂v 掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域掺杂:将需要的杂质掺入特定的半导体区域中,以达到中,以达到改变半导体电学性质改变半导体电学性质,形成,形成PNPN结、结、电阻、欧姆接触电阻、欧姆接触磷磷(P)(P)、砷、砷(As)N(As)N型硅型硅硼硼(B)P(B)P型硅型硅v 掺杂工艺:扩散、离子注入掺杂工艺:扩散、离子注入第2页,此课件共40页哦扩散第3页,此课件共40页哦扩散v 7070年代初期以前,杂质掺杂主要通过年代初期以前,杂质掺杂主要通过高温的扩散高温的扩散实现。实现。v杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到硅杂质原子通过气相源或氧化物源扩散或淀积到
2、硅晶片的表面。晶片的表面。v杂质浓度从表面到体内单调下降杂质浓度从表面到体内单调下降v杂质分布主要是由杂质分布主要是由温度和扩散时间温度和扩散时间决定决定 可用于形成深结(可用于形成深结(deep junctiondeep junction),如),如CMOSCMOS中的中的双阱(双阱(twin welltwin well)第4页,此课件共40页哦离子注入第5页,此课件共40页哦离子注入v 从从7070年代初开始,掺杂的操作改由离子注入完成年代初开始,掺杂的操作改由离子注入完成v 掺杂原子以离子束的形式注入半导体内掺杂原子以离子束的形式注入半导体内v杂质浓度杂质浓度在半导体内有在半导体内有峰值
3、分布峰值分布v杂质分布主要由杂质分布主要由离子质量和离子能量离子质量和离子能量决定决定用于形成浅结(用于形成浅结(shallow junctionshallow junction),如),如MOSFETMOSFET中中的漏极和源极的漏极和源极第6页,此课件共40页哦扩散机构v 间隙式扩散间隙式扩散定义:杂质离子位于晶格间隙定义:杂质离子位于晶格间隙杂质:杂质:NaNa、K K、FeFe、CuCu、Au Au 等元素等元素势能极大位置:相邻的两个间隙之间势能极大位置:相邻的两个间隙之间势垒高度势垒高度WWi i:0.61.2eV0.61.2eV间隙杂质的振动能在室温时,只有间隙杂质的振动能在室温
4、时,只有0.026eV0.026eV;1200 1200 时为时为0.13eV0.13eV,因此间隙杂质靠热涨落越过势垒,因此间隙杂质靠热涨落越过势垒跳跃率:跳跃率:P Pi i 依赖于温度依赖于温度第7页,此课件共40页哦扩散机构第8页,此课件共40页哦扩散机构v替位式扩散替位式扩散定义:杂质离子占据硅原子的位定义:杂质离子占据硅原子的位杂质特点:杂质特点:III III、族元素族元素相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散相邻晶格上出现空位才好进行替位式扩散势能极大位置:间隙处势能极大位置:间隙处势垒高度:势垒高度:0.61.2eV0.61.2eV跳跃率:跳跃率:近邻出现空位的几率乘以跳入该空
5、位的几率,近邻出现空位的几率乘以跳入该空位的几率,PvPv依赖于温度依赖于温度间隙式扩散系数要比替位式扩散大间隙式扩散系数要比替位式扩散大6 67 7个数量级个数量级第9页,此课件共40页哦扩散机构第10页,此课件共40页哦菲克第一定律v扩散是微观粒子热运动的统计结果,当杂质存在扩散是微观粒子热运动的统计结果,当杂质存在浓度浓度梯度梯度时,出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓时,出现宏观的扩散流。杂质由高浓度区向低浓度区移动,直至浓度趋于均匀,扩散流为零。实验表度区移动,直至浓度趋于均匀,扩散流为零。实验表明:扩散流的大小,正比于杂质的浓度梯度。明:扩散流的大小,正比于杂质的浓度梯度。v菲克
6、第一定律菲克第一定律:如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度,则杂质将会产生如果在一个有限的基体中存在杂质浓度梯度,则杂质将会产生扩散运动,而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。扩散运动,而且杂质的扩散方向使杂质浓度梯度变小。第11页,此课件共40页哦扩散系数v扩散系数扩散系数其中:其中:V0代表振动频率代表振动频率 Wv代表形成一个空代表形成一个空位所需要的能量位所需要的能量 Ws代表替位杂质的势代表替位杂质的势垒高度垒高度 E为扩散激活能,对替位式为扩散激活能,对替位式杂质来说,一般为杂质来说,一般为34eV第12页,此课件共40页哦扩散方程v扩散方程(菲克第二定律)扩散方程(菲克第二定律
7、)第13页,此课件共40页哦扩散方程v 扩散方程(菲克第二定律)扩散方程(菲克第二定律)经过经过t t时间,体积元内的杂质变化量为时间,体积元内的杂质变化量为体积元内杂质的变化,是由于在体积元内杂质的变化,是由于在t t时间内,通过时间内,通过x x处处和和x xx x处的两个截面的流量差所造成处的两个截面的流量差所造成第14页,此课件共40页哦扩散方程v 扩散方程(菲克第二定律)扩散方程(菲克第二定律)假定体积元内的杂质不产生也不消失,上面两式应该假定体积元内的杂质不产生也不消失,上面两式应该相等,得到相等,得到假设扩散系数假设扩散系数D D为常数(低浓度正确),得到为常数(低浓度正确),得
8、到第15页,此课件共40页哦恒定表面源扩散v 定义:在整个扩散过程中,硅片表面的杂质浓度定义:在整个扩散过程中,硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散始终不变的扩散v 边界条件和初始条件边界条件和初始条件C(0,t)=CC(0,t)=Cs s ;C(C(,t)=0,t)=0;C(x,0)=0,xC(x,0)=0,x00v 恒定表面源扩散的杂质分布:恒定表面源扩散的杂质分布:第16页,此课件共40页哦恒定表面源扩散第17页,此课件共40页哦恒定表面源扩散v杂质分布形式特点杂质分布形式特点在表面浓度在表面浓度CsCs一定的情况下,一定的情况下,扩散时间越长,杂质扩扩散时间越长,杂质扩散的就越深,扩到硅内
9、的杂质数量也就越多散的就越深,扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为扩到硅内的杂质数量可用高为CsCs,底为,底为2 2 的三角形的三角形近似;近似;表面浓度表面浓度CsCs由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在在9001200 9001200 内,固溶度变化不大,可见内,固溶度变化不大,可见很难通过很难通过改变温度来控制改变温度来控制CsCs第18页,此课件共40页哦恒定表面源扩散v 结深结深如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的如果扩散杂质与硅衬底原有杂质的导电类型不同导电类型不同,则,则在两种在两种杂质浓度相等处形成杂质浓度相等处形成p-np-
10、n结。结。杂质浓度相等:杂质浓度相等:结的位置:结的位置:v 温度通过温度通过D D对扩散深度和杂质分布情况的影响,同时间对扩散深度和杂质分布情况的影响,同时间t t相比相比更为重要。更为重要。第19页,此课件共40页哦恒定表面源扩散v杂质浓度梯度杂质浓度梯度任意位置任意位置P-nP-n结处的杂质梯度结处的杂质梯度在在C Cs s和和C CB B一定的情况下,一定的情况下,p-np-n结越深,在结处的杂质结越深,在结处的杂质浓度梯度就越小。浓度梯度就越小。第20页,此课件共40页哦有限表面源扩散v定义:定义:扩散之前在硅片表面淀积一层杂质,在整个扩散过扩散之前在硅片表面淀积一层杂质,在整个扩散
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