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影响扩散的因素

下一节:离子注入工艺介绍

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影响扩散的因素课程教案、知识点、字幕

同学们好

今天我们学习扩散过程的

第二节的内容

今天内容主要讲的是影响扩散过程的因素

在上一节内容中

我们学习了微纳加工里面掺杂的概念

为什么要掺杂 因为我们的器件里面

我们的源 我们的漏 我们的沟道

都需要不同的杂质元素

我们也了解到

实现掺杂的办法

还有扩散和离子注入两种办法

具体的扩散而言

扩散过程本身又包含

预淀积和推进两个过程

也就是我们讲的Predeposition

和Drive-in的过程

这两个过程我们都知道

它们都遵守费克定律

费克第一定律和费克第二定律

那么我们在上一节课

基于费克定律的公式

我们计算出杂质在硅基体里面的

分布情况 所以总的来说

上一节的内容是把整个扩散的

最简单和基础的情况

给大家做的一个介绍

这一节我们要进一步学习扩散

过程中一些影响的因素

我们来看这张图

这张图显示扩散过程

它不仅仅是一个纵向扩散的过程

同时还有一个横向扩散的过程

杂质当它进入这个硅的基体里面之后

它不会说只往一个方向扩散

除非说另外一个方向有限制因素

如果没有限制因素的情况下

同等情况下,它既往纵向也往横向

那它因为浓度梯度不一样

所以它扩散的长度略有区别

一般来说横向扩散长度为纵向扩散

深度的0.75倍到0.85倍的样子

比这个纵向略微短一点

但你也可以看见

横向和纵向是很相近的

那这个横向扩散

是我们在设计器件的时候

是要考虑的一个重要的因素

因为如果你横向不考虑的话

假如说你把两个器件设计的

左边一个右边一个紧挨着

没有考虑中间扩散部分

它两个吸引可能就重合了

会导致器件的失效

所以我们需要在器件设计的时候

我们就要充分的考虑

扩散它有横向扩散的因素

那这个横向扩散不仅会影响

刚才说影响器件的设计

也会影响IC的集成度

这是因为有横向扩散这个因素

导致了我们IC集成度就受到一些限制

假如说没有横向

我们可以把这个结打得很深

我们就可以把集成度提高

但因为横向这个扩散因素导致我们

我们在横向方面受到的影响

同时也会影响我们整个PN结的这个电容

因为PN结是等于说我们这个结

的P型N型的表面的面积

我们横向扩散的面积也会变大

所以我们对PN结的电容也会有影响

所以说大家一定要记住

在设计器件的时候

你扩散了之后不要只想到说

我这扩散深度上扩了多深了

我的这个结在什么位置

同时还需要考虑到

我还有横向扩散

那这个横向扩散会影响到我器件的大小

会影响到我的整个结的电容的大小

那我们再来看一下扩散系数

我们上一节也提到了扩散系数D

我们知道扩散系数是表示一个

杂质在硅的晶体里面扩散的运动的速率

我们也知道对于不同的杂质在不同温度下

它是有不同的扩散系数

扩散系数我们也讲叫Diffusion coefficient

是表征粒子扩散快慢的一个重要参量

原子或者分子的扩散系数

不同于载流子的扩散系数

同一种粒子在不同介质中的扩散系数也是不同的

对于晶体中原子的扩散

扩散系数D与温度T它有指数的关系

因为这里面还牵扯到热缺陷的产生和运动的过程

所以说我们说D=Do× e(-EA/kT) 的关系

那么这个Ea是原子扩散的激活能

在硅中我们经常讲

它的掺杂有B 有P 有As

在硅里面硼和磷原子的扩散

是属于替位式原子的扩散

这种扩散需要通过晶体的

热缺陷的产生和运动来实现

所以说这种原子的扩散通常

需要在较高温度下才能进行

因为比较高的温度

它的热缺陷才能产生和运动

也正因为如此

所以要在硅中掺入杂质硼和磷的时候

就需要采用较高的扩散温度

高温的扩散过程

对于那些半径比较小的原子

比如硅中的金原子

它在硅中是通过晶格间隙来扩散的

这种原子称为间隙式原子

它不需要借助热缺陷的产生来扩散

所以扩散温度可以比较低

对于半导体中的载流子

扩散系数也是表征其扩散快慢的一个物理量

但是从扩散机理上来说

半导体中的载流子它与原子的扩散是完全不同的

载流子的扩散系数与温度的关系

可以用爱因斯坦关系给出

就我们说的:D=(kT/q)μ

这里面的μ是载流子迁移率

迁移率跟温度也有些关系

所以说不一样

因为载流子的扩散

基本上就是一个浓度梯度的关系

我们原子的扩散就是杂质的扩散要考虑

原子它是一个替位型的还是一个间隙型的

他们的关系是不一样的

所以说我们需要综合考虑

到我们讲扩散的时候需要想清楚这里面的一些区别

我们来看一下这两张图

这两张图给出了不同杂质元素在硅中的扩散系数D

我们举个例子

比如说在1000摄氏度的情况下

硼、磷和砷的扩散系数大约是10的负13次方

这个大小 但对于金跟铜而言

在同样1000摄氏度情况下

它的扩散系数是10负5次方到10负6次方

比我们刚才讲的硼磷和砷高出来了10的7次方到10的8次方

这你可以看到是不是快了很多很多

所以说我们说金和铜在硅中的扩散系数

是很大的

它的扩散速度是非常快的

比硼磷砷要快的多

是个fast diffuse

我们的扩散中我们也需要图形化

我们不是说把整个硅片都要进行扩散

我们之前学的图形化

是用我们的光刻胶来定义这个图形

但是我们光刻胶它是一个有机物

那在扩散中我们能够用这个光刻胶吗

我们大家知道扩散的温度经常到

800度900度甚至1000和更高的温度

那这个光刻胶在这么高的温度下

它早就挥发了早就融化了

所以说我们在扩散过程中

是不能够使用光刻胶

作为我们的掩膜的masking layer的

掩膜层的 扩散中的masking需要用的是一些

像SiO2,Si3N4这样能承受高温的材料

这是我们在选择扩散的掩膜层masking layer

一方面需要考虑的因素 第二方面

我们希望在这个掩膜层 masking layer在

扩散过程中能够挡住杂质到晶体中去

我们为什么要掩膜挡住呢

因为我们是希望在中间的部分

开孔的部分

这个杂质元素可以进去

在其他地方应该被这个masking layer 挡住

那当然我们希望这一层能够把杂质

都挡住不要再扩散下来 怎么样挡住它呢

要么就是说杂质在masking这一层就是掩膜层里面

它的扩散速度是远慢于在基体或硅里面的扩散速度

或者说我这个掩膜层这一层足够厚这才行

我们对比一下 我们最常用的情况

比如我们用二氧化硅来做掩膜层

那么不同的杂质元素

在这硅和二氧化硅中的扩散系数

来看这个表

我们都在900度的情况下

对于硼中的元素来讲

在硅中它的扩散系数是2.4×10的负15次方

在二氧化硅中是5.2×10的负19次方

可以看出来在二氧化硅中

它的扩散系数比在硅中只有它的10的负4次方

所以远低于在硅中的扩散速度

这个很好

那对于磷来讲

同样的在硅中它的扩散系数1.8×10的负15次方

在二氧化硅中是2.5×10的负18次方

他们也有一千倍的差距

应该也不错也很好

对砷而言

我们可以发现在硅中

砷的扩散系数是5.8×10的负17次方

在二氧化硅中是1.4×10的负18次方

这两者间的差距就小得多

只有30倍的差距

所以这个差距就小得多了

那这个行不行呢

这个其实需要会有一点点问题

我们在设计的时候

如果说在扩散深的时候

我们就需要把二氧化硅这一层做得足够厚

我们要有一定的计算

刚才我们讲了考虑扩散这一过程中掩膜层的选择

我们要选择能抗高温的对杂质元素扩散系数比较低的

我们再来看一下叫相互作用扩散的现象

在英文中我们叫Interacting diffusion

比如说我们在NPN这种双极性晶体管中

我们就会经常可以看到Interacting diffusion这种相互作用扩散

我们看这三张图

我们第一步是扩硼

就是Base这一层的的扩散过程(Base Diffusion)

我们Substrate基体选的是掺磷的是N型的

我们可以看到这个图

我们的这个虚线B plus

是我们在掺硼的扩散硼的过程中的一个预淀积过程

δ是一个很小的优差函数的一个分布

然后在我们第二步推进在Drive-in的过程中

硼就进一步扩散到里面去了

第二步是扩散砷的过程

在扩散砷的时候

我们用预淀积过程把这个砷的元素

第二张图可以看到砷plus的一个余误差函数的分布

之后我们再做砷的推进过程中

可以看到砷从红线变成这个更深的分布

这个时候大家注意到

硼变成这个虚线的硼

因为在我们这一步的推进过程中

硼也因为相互作用的过程中它也进一步的扩散了

所以我们这种相互作用扩散对于我们设计结

设计器件是很关键的

我们从另外一个角度来看一下NPN双极型晶体管

它的截面图我们可以看到

在有发射极下面

B一层这个极在emitter(发射极)下面往下走了更多的δ的距离

我们的结往下走一点

这一点就是我们在器件设计中需要考虑的相互作用扩散的问题

另外一种典型的相互作用扩散

就是氧化时候的扩散

氧化过程由于是高温过程

所以杂质原子会进一步扩散

但是在氧化层下的杂质原子由于和氧原子有相互作用的过程

在某些情况下

会扩散的更快

比如图中的硼原子

我们可以看到

这个截面可以看到

我们本来用Si3N4做了一个掩膜层

中间长的二氧化硅这一层

在长的过程中

本来掺杂的硼元素

都向下继续扩散

但你可以发现

二氧化硅下面这一层的扩散多于Si3N4这一层的扩散

这是一个相互作用导致了它们的扩散增加

这样结就变得更深了

所以这种情况下也是一样

我们在器件设计里面需要综合考虑

最后让我们总结一下

本节主要讲了扩散过程中需要注意的影响因素

这些影响因素我们在器件设计里面是要考虑进去的

我们讨论了横向扩散

讨论了扩散系数

讨论了扩散过程中的掩膜层

还有相互扩散作用等

希望同学们未来有机会设计器件的时候

能够想起来这些因素

当你真正设计的时候

需要阅读更多的专业书籍

设计出一个好器件

谢谢大家

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