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第2章_扩散剖析
* * * * * * * 扩散开始时,表面放入一定量的杂质源,而在以后的扩散过程中不再有杂质加入。假定扩散开始时硅片表面极薄一层内单位面积的杂质总量为 QT ,杂质的扩散长度远大于该层厚度,则杂质的初始分布可取为 ? 函数,扩散方程的初始条件和边界条件为 这时扩散方程的解为中心在 x = 0 处的 高斯分布 2、恒定杂质总量扩散 恒定杂质总量扩散的主要特点 (1)在整个扩散过程中,杂质总量 QT 保持不变; (2)扩散时间越长,扩散温度越高,则杂质扩散得越深; (3)扩散时间越长,扩散温度越高,表面浓度 NS 越低,即表面杂质浓度可控。 第一步恒定表面浓度扩散,淀积到硅片上的杂质总量为 D2 代表再分布温度下的杂质扩散系数,t2 代表再分布时间。再分布后的表面杂质浓度为 D1 代表预淀积温度下的杂质扩散系数,t1 代表预淀积时间,NS1 代表预淀积温度下的杂质固溶度。若预淀积后的分布可近似为δ 函数,则可求出再分布后的杂质浓度分布为 还可求出再分布后的结深。设衬底杂质浓度为 NB , 即可解得 令 掺杂分布控制: 前面得出的扩散后的杂质分布是采用理想化假设的结果,而实际分布与理论分布之间存在着一定的差异,主要有: 1、二维扩散(横向扩散) 3.3 简单理论的修正 实际扩散中,杂质在通过窗口垂直向硅中扩散的同时,也将在窗口边缘沿表面进行横向扩散。考虑到横向扩散后,要得到实际的杂质分布,必须求解二维或三维扩散方程。横向扩散的距离约为纵向扩散距离的 75% ~ 80% 。由于横向扩散的存在,实际扩散区域大于由掩模版决定的尺寸,此效应将直接影响到 VLSI 的集成度。 2、杂质浓度对扩散系数的影响 前面的讨论假定扩散系数与杂质浓度无关。实际上只有当杂质浓度比扩散温度下的本征载流子浓度 ni(T) 低时,才可认为扩散系数与掺杂浓度无关。在高掺杂浓度下各种空位增多,扩散系数应为各种电荷态空位的扩散系数的总和。 3 、电场效应 高温扩散时,掺入到硅中的杂质一般处于电离状态,电离的施主和电子,或电离的受主与空穴将同时向低浓度区扩散。因电子空穴的运动速度比电离杂质快得多,因而在硅中将产生空间电荷区,建立一个 自建场,使电离杂质产生一个与扩散方向相同的漂移运动,从而 加速了杂质的扩散 。 值在 0 到 1 之间,与杂质浓度有关。 4、发射区陷落效应 在基区宽度极薄的 NPN 晶体管中,若发射区扩散磷,则发射区正下方的内基区要比外基区深,这种现象称为发射区陷落效应。为避免此效应的发生,发射区可采用砷扩散,或采用多晶硅发射极。 3.4 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。 二、结深的测量 测量结深的方法主要有 磨角法、磨槽法(滚槽
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