Расчет профиля распределения примеси при диффузии

Работа из раздела: «Химия»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

Кафедра Полупроводниковых Приборов и Микроэлектроники

Новосибирск

2013

1. Построить профиль распределения примеси при изготовлении p-n перехода диффузией из постоянного источника

Дано:

Подложка Si n-типа

Легирующая примесь: бор

Табличные значения:

EaB=3.7эВ - энергия активации

D0B=11.5см2с-1 - кажущийся коэффициент диффузии

k= 0.86 Ч10-4эВ/К - постоянная Больцмана

Решение:

Диффузия -- перенос вещества, обусловленный хаотическим тепловым движением атомов, возникающий при наличии градиента концентрации данного вещества и направленный в сторону убывания этой концентрации.

Диффузия из неограниченного (постоянного) источника предполагает такое состояние системы, когда количество примеси, уходящей из приповерхностного слоя полупроводника в его объем, равно количеству примеси, поступающей в приповерхностный слой. Это возможно, когда концентрация примеси источника не изменяется в процессе диффузии.

Диффузия из неограниченного источника представляет первый этап диффузии, задача которого -- введение в кристалл определенного количества примеси. В результате образуется тонкий приповерхностный слой, насыщенный примесью. В производстве этот этап называется загонкой примеси.

Распределение концентрации примеси по глубине, полученное при решении уравнения

при граничных условиях

имеет вид

где - концентрация примеси на поверхности пластины; - функция ошибок; -- коэффициент диффузии при температуре загонки; -- время загонки [3. стр. 138].

Концентрация примеси на поверхности пластины.

Поверхностная концентрация бора определяется по кривым зависимости растворимости атомов примеси в кремнии для . [1. стр. 182]

Коэффициент диффузии при температуре загонки

Температурная зависимость коэффициент диффузии D определяется уравнением Аррениуса [3. стр. 136]:

см2с-1

Концентрация исходной примеси

Вводимая примесь внедряется в монокристаллическую однослойную или двухслойную с эпитаксиальной пленкой подложку, исходная примесь в которой распределена равномерно, Nисх определяется по кривым зависимости удельного сопротивления от концентрации примеси.

Распределение концентрации примеси по глубине

Расчетные профили распределения бора после загонки

Глубина залегания p-n-перехода, определенная по графику

Рассчитанная теоретически

мкм

2. Построить профиль распределения примеси при изготовлении p-n перехода диффузией из ограниченного источника

Дано:

Подложка Si р-типа

Легирующая примесь: фосфор

Табличные значения:

Решение:

Диффузия из ограниченного источника представляет собой второй этап диффузии -- этап разгонки. На этапе разгонки примесь, введенная при загонке, распределяется вглубь проводника.

Распределение концентрации примеси по глубине, полученное при решении уравнения

при граничных условиях

имеет вид

[3. стр. 140]

Коэффициент диффузии при температуре загонки

Температурная зависимость коэффициент диффузии D определяется уравнением Аррениуса [3. стр. 136]:

см2с-1

Концентрация примеси на поверхности пластины

Значение определяется по известному значению дозы легирования Q [3.стр.146]

см-3

Концентрация исходной примеси

Распределение концентрации примеси по глубине

Расчетные профили распределения фосфора после загонки:

Глубина залегания p-n-перехода, определенная по графику

Рассчитанная теоретически

см

3. Построить профиль распределения примеси при получении p-n-перехода двухстадийной диффузией

Дано:

Подложка Si n- типа

Легирующая примесь: бор

Загонка примеси:

Разгонка примеси:

Табличные значения:

EaP=4.4 эВ - энергия активации

D0P=1400 см2с-1 - кажущийся коэффициент диффузии

k= 0.86 Ч10-4эВ/К

Решение:

Концентрация примеси на поверхности пластины

рис. 1 Растворимость атомов примеси в кремнии при различных температурах

Коэффициент диффузии при температуре загонки

Температурная зависимость коэффициент диффузии D определяется уравнением Аррениуса [3. стр. 136]:

см2с-1

Концентрация исходной примеси

рис. 2 Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации примесей при 300 К

Распределение концентрации примеси по глубине на этапе загонки

Коэффициент диффузии при температуре разгонки

Температурная зависимость коэффициента диффузии D определяется уравнением Аррениуса [3. стр. 136]:

см2с-16)

Доза легирования Q1

Доза легирования Q1, т.е. число атомов примеси, введенное в кристалл на этапе загонки за время диффузии через площадку в 1 см2. [3. стр. 144]

см-3

Концентрация примеси на глубине p-n-перехода после разгонки[3.стр.146]

На глубине p-n- перехода выполняется равенство концентраций введенной и исходной примесей

Количество примеси Q2, которое вводится для получения заданной поверхностной концентрации Ns2

см-3,

где коэффициент сегрегации.

Тогда концентрация примеси на глубине p-n-перехода после разгонки определяется как

см-3

Распределение концентрации примеси по глубине на этапе разгонки

Расчетные профили распределения примеси фосфора после загонки N1(x) и разгонки N2(x):

Глубина залегания p-n-перехода, определенная по графику

Рассчитанная теоретически ,см

см

диффузия температура примесь пластина

4. Построить профиль распределения примеси при получении диффузионной транзисторной структуры n-p-n и p-n-p

Дано:

Структура Si: n-p-n и p-n-p

Легирующие элементы: бор и фосфор

База.

Загонка примеси:

Разгонка примеси:

Эмиттер.

Табличные данные:

k= 0.86 Ч10-4эВ/К - постоянная Больцмана

Бор

EaB=3.7эВ - энергия активации

D0B=11.5см2с-1 - кажущийся коэффициент диффузии

Фосфор

EaP=4.4 эВ - энергия активации

D0P=1400 см2с-1 - кажущийся коэффициент диффузии

Решение:

При изготовлении диффузионных транзисторов активную структуру получают путем последовательной диффузии примесей, создающих слои с различным типом электропроводности.

Первая диффузия является более глубокой, последующая -- более мелкой, но с более высокой концентрацией, поэтому при двойной последовательной диффузии будут получены структуры n-p-n согласно формуле

или p-n-p:

где -- профиль распределения примеси в коллекторе; -- профиль распределения примеси в базе; -- профиль распределения примеси в эмиттере.

Подобное распределение является типичным для получения структуры диффузионного транзистора. Первую диффузию с низкой поверхностной концентрацией и большой глубиной называют базовой. Она служит для создания базовой р - области. Вторую диффузию с высокой поверхностной концентрацией и малой глубиной называют эмиттерной. Она предназначена для получения эмиттерной области с электропроводностью n- типа. [1. стр. 185]

n-p-n

Концентрация примеси в коллекторе

Пусть коллектор изготовлен на основе эпитаксиальной пленки, которая равномерно легирована по глубине, тогда концентрация примеси в коллекторе равна концентрации эпитаксиальной пленки и не зависит от :

. [3. стр. 151]

Найдем концентрацию донорной примеси в исходной пластине кремния. [1.стр.186]

рис. 1 Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации примесей при 300 К

Концентрация примеси в базе

Базовую диффузию осуществляют в две стадии, поэтому её вклад в суммарное распределение отражен в виде кривой Гаусса

где -- поверхностная концентрация в базовом слое; -- коэффициент диффузии примеси при температуре разгонки базы; -- время разгонки при температуре диффузии базы.

а)

рис.1Растворимость атомов примеси в кремнии при различных температурах

Поверхностная концентрация бора на этапе загонки определяется по кривым зависимости растворимости атомов примеси в кремнии для .

б) Температурная зависимость коэффициент диффузии DBz определяется уравнением Аррениуса (при температуре загонки базы):

см2с-1

в) Доза легирования Q1 за время загонки [3. стр. 144]

см-1

г) Коэффициент диффузии DBr при температуре разгонки базы:

см2с-1

д) Количество примеси Q2, которое вводится для получения заданной поверхностной концентрации Nsbr [3. стр. 148]

см-1,

где коэффициент сегрегации.

е) Концентрация примеси на глубине p-n-перехода после разгонки

см-3

Итоговое распределение примеси в базе:

Концентрация примеси в эмиттере

Поскольку эмиттер чаще всего получают одностадийной диффузией, то распределение примеси в нем подчиняется закону интеграла функции ошибок

где -- поверхностная концентрация в эмиттерной области; DE - коэффициент диффузии примеси при температуре диффузии эмиттера; -- время диффузии эмиттера. [3. стр. 152]

а) Поверхностная концентрация фосфора на этапе загонки определяется по кривым зависимости растворимости атомов примеси в кремнии для

. [1. стр. 182]

рис. 1 Растворимость атомов примеси в кремнии при различных температурах

б) При высоких уровнях легирования, которые имеют место в эмиттерной области биполярного транзистора, коэффициент диффузии помимо температуры зависит ещё и от концентрации. Как показали эксперименты, можно принять, что среднее значение коэффициента диффузии в этом случае описывается выражением

см2с-1

Распределение примеси в эмиттере:

см-3

Расчетные профили распределения примеси в n-p-n- транзисторе, полученном двойной последовательной диффузией:

см-3

Глубина залегания коллекторного перехода, определенная по графику

Рассчитанная теоретически

см

Глубина залегания эмиттерного перехода, определенная по графику

,см

p-n-p

Концентрация примеси в коллекторе

. [3. стр. 151]

Найдем концентрацию акцепторной примеси в исходной пластине кремния. [1. стр.186]

рис. 1 Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации примесей при 300 К

Концентрация примеси в базе

а) Поверхностная концентрация фосфора на этапе загонки определяется по кривым зависимости растворимости атомов примеси в кремнии для . [1. стр. 182]

рис. 1 Растворимость атомов примеси в кремнии при различных температурах

см2с-1

в) Доза легирования Q1 за время загонки [3. стр. 144]

см-2

г) Коэффициент диффузии DBr при температуре разгонки базы:

см2с-1

д) Количество примеси Q2, которое вводится для получения заданной поверхностной концентрации Nsbz [3. стр. 148]

см-2,

где коэффициент сегрегации.

е) Концентрация примеси на глубине p-n-перехода после разгонки

см-3

Итоговое распределение примеси в базе:

см-3

Концентрация примеси в эмиттере

где -- поверхностная концентрация в эмиттерной области; DE -- коэффициент диффузии примеси при температуре диффузии эмиттера; -- время диффузии эмиттера.

а) Поверхностная концентрация бора на этапе загонки определяется по кривым зависимости растворимости атомов примеси в кремнии для

. [1. стр. 182]

рис. 1 Растворимость атомов примеси в кремнии при различных температурах

б) При высоких уровнях легирования, которые имеют место в эмиттерной области биполярного транзистора, коэффициент диффузии помимо температуры зависит ещё и от концентрации. Как показали эксперименты, можно принять, что среднее значение коэффициентов диффузии в этом случае описывается выражением

см2с-1

Распределение примеси в эмиттере:

см-3

Расчетные профили распределения примеси в p-n-p транзисторе, полученном двойной последовательной диффузией:

Графики распределения примеси в базе Nb(x) и эмиттере Ne(x) не имеют точки пересечения, поэтому в условиях данной задачи образование эмиттерного перехода p-n-p транзистора не возможно.

Список литературы

1. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб. пособие для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые приборы».- М.: Высш. шк., 1986.- 368 с., ил.

2. Матсон Э.А., Крыжановский Д.В. Справочное пособие по конструированию микросхем.- Мн.: Выш. школа, 1982.- 224с., ил.

3. Процессы микро- и нанотехнологии: учеб. пособие/ Т.И. Данилина, К. И. Смирнова, В.А. Илюшин, А.А. Величко; Федер. агентство по образованию, Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники.- Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2004.- 257 с.