Khuếch tán tạp chất

bài giảng Khuếch tán tạp chất trong môn công nghệ vi điện tử

3

Định luật Fick I

 Nồng độ tạp chất: C (nguyên tử/cm3) -> C(x)

 Nếu nồng độ nguyên tử giảm đồng nhất từ bề mặt

C(0) đến chiều sâu λ với C(λ) = 0

Dòng nguyên tử tạp đi vào vật rắn khi có hiện tượng khuyếch

tán xảy ra là F (nguyên tử/cm 2 s)

x

t x

C D

Chiều sâu khuếch tán

 Trường hợp khuếch tán trong vật rắn với:

thay đổi thế nào theo thời gian?

 Nồng độ nguyên tử tại hai thời điểm t1

và t2 được biểu diễn trên hình vẽ

Định luật Fick II

Fick I mô tả được hiện tượng

khuếch tán nhưng không xác

Định luật Fick II với điều kiện biên

a) Khuếch tán từ nguồn vô hạn: CS = const

(0, ) ( , ) 0

Trong đó, erfc được gọi là hàm sai bù, C S nồng độ bề mặt cố định

Dt chiều dài khuếch tán đặc trưng

Gọi Q là liều lượng khuếch tán từ nguồn vào đế ta có:

2( ) ( , ) S

9

Hàm sai bù

b) Khuếch tán từ nguồn hữu hạn: Lượng tạp ban đầu QT được tiếp tục đưa vào phiến với điều kiện biên QT không đổi

Định luật Fick II với điều kiện biên

 Giả thiết coi profile tạp ban đầu là rất mỏng gần bề mặt, ta có

điều kiện biên:



(hàm Gauss có tâm tại x = 0)

Nồng độ tạp trên bề mặt giảm dần theo thời gian:



25 0

m



25 0

m



25 0

Phân bố nồng độ tạp cho trường hợp khuếch tán từ nguồn

A) vô hạn và B) hữu hạn

Hệ số khuếch tán

• Hệ số khuếch tán phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

• Sự phụ thuộc nhiệt độ xuất phát từ năng lượng dùng để nguyên tử nhảy từ vị trí này sang vị trí khác

• Năng lượng hoạt hóa (activation energy): EA

D 0 là hằng số tỷ lệ và có giá trị trong khoảng 10 -1 đến 10

với E A nằm trong khoảng từ 1 đến 5 eV và phụ thuộc vào hệ khuếch tán

13

Hệ số khuếch tán phụ thuộc nhiệt độ

Hệ số khuếch tán của một số tạp chất

Hệ số khuếch tán của một số tạp chất thông dụng vào đế Si

 Quá trình khuếch tán tạp chất vào đế Si thường xảy ra theo hai bước:

• Tiền khuếch tán: Tạp được

khuếch tán vào bề mặt phiến

chỉ cỡ vài nghìn A0

 Lớp chuyển tiếp được hình thành

trong đế sau quá trình khuếch tán

nếu hạt dẫn trong đế ngược dấu

Tiền khuếch tán (predeposition)

 Bước này thường được thực hiện bằng cách đặt phiến Si vào trong lò có thổi khí trơ mang nguồn tạp cần khuếch tán vào phiến

 Nguồn tạp có thể là nguồn rắn hoặc nguồn lỏng

17

Ví dụ 1: Tiền khuếch tán

bán dẫn loại n với nồng độ hạt dẫn trong khối là CB = 1.1015 cm-3 sau

1) Chiều sâu chuyển tiếp được

định nghĩa qua điều kiện:

Tra bảng, hệ số khuếch tán của B vào Si ở 975 0C là 1,5.10-14cm2 /s

B j

Ví dụ 2: Drive-in diffusion

tán drive-in tại nhiệt độ 1100 0C trong 4,5 giờ

Ví dụ minh họa

Khuếch tán B vào Si

từ nguồn rắn BN

23

Bước 1

Các phiến Si được xếp vào thuyền thạch anh sao cho hai mặt đày gần nhau còn hai mặt bóng quay ra, đặt gần nguồn BN

Bước 4

Minilab_doping_4_FS.mov

• Quá trình khuếch tán được bắt đầu khi thổi vào trong lò hỗn hợp khí N2 và O2 Khí oxy tạo thành một lớp mỏng B2O3 trên bề mặt các tấm BN do oxy hóa

4BN + 3O2 -> 2B2O3 + 2N2

27

Bước 5

tăng lên khiến cho B2O3 trên các phiến BN bắt đầu bốc hơi

• Các phân tử B2O3 đến va chạm trên bề mặt đánh bóng của các phiến hình thành một lớp thủy tinh pha tạp B

B2O3 + Si-> SiO2:B

• Trong điều kiện nhiệt độ cao B được khuếch tán sâu vào trong phiến Còn lớp thủy tinh sẽ được tẩy đi bằng tẩm thực

Minilab_doping_5_FS.mov

Bước 6

• Lớp Si-B không mong muốn cũng có thể xuất hiện trong quá trình pha tạp Tuy nhiên lớp này có thể được tẩy đi bằng hai bước: (1) ủ trong môi trường khí oxy sạch trong khoảng 10 phút

tẩy đi lớp này

Minilab_doping_6_FS.mov