The diffusion process

Diffusion

1. 
   Diffusion process
   
2. 
   Fick’s law
   
3. 
   4.1 The diffusion process
   

The diffusion process begins with the deposition of a shallow high-concentration layer of the desired impurity in the silicon surface through windows etched in the protective

Diffuziya jarayoni istalgan nopoklik materialini implantatsiya qilish jarayonidir. Biz odatda yupqa, lekin yuqori darajada termik ishlov berilgan qatlam hosil qilishdan boshlaymiz.

Diffuziya jarayonida uchta jarayon tasodifiy sodir bo'ladi.

O'rnini bosuvchi nopoklik: bo'sh joyni almashtirish orqali kirish jarayoni

Interstitsial nopoklik: bo'sh joy orqali kirish jarayoni

Interstitsial mexanizm: Yuqoridagi ikkita jarayonning o'rtasida u bo'sh joyga kiradi va mavjud kremniy o'rnini egallaydi.

Fikning 1-qonuni: Diffuziya konsentratsiyalar farqidan kelib chiqadi.
Fikning 2-qonuni: ma'lum bir hududda ifloslanish kontsentratsiyasi vaqtiga qarab o'zgarish tezligi

Bu oqimdagi farq tufayli yuzaga keladi.

Diffuziya jarayoni ikkita cheklash shartiga bo'linadi.

Gaz etarli bo'lganda, harorat diffuziya jarayonining tezligini nazorat qiladi.

Bu vaqtda qo'shimcha xato funksiyasi (erfc) ko'rinishida profil hosil bo'ladi.

Cheklangan aralashmalar kiritilganda, umumiy doz doimiy bo'ladi.

U Gauss profiliga ega.

Davom etish uchun yuqoridagi ikki jarayon aralashtiriladi.Birinchi navbatda, u yuqori doping bilan yupqa cho'ktiriladi, so'ngra issiqlik bilan ishlov berish orqali haydaladi.


Diffuziya koeffitsienti harorat va ifloslik bilan o'zgaradi.

Material qanchalik engil bo'lsa, diffuziya koeffitsienti va Arrhenius munosabati shunchalik katta bo'ladi.

Diffuziya koeffitsientini Arrhenius munosabati orqali olish mumkin.
Typical Diffusion Coefficient Values for a Number of Impurities
Diffuziya jarayoniga qo'shimcha ravishda, gofret qo'shimcha diffuziyaga uchraydi, chunki oksidlanish jarayoni va CVD jarayoni kabi issiqlikni o'z ichiga olgan ko'plab jarayonlar mavjud.

Ushbu barcha xodimlarning qiymatlari umumiy qiymat sifatida ifodalanadi va siz ularning barchasini qo'shishingiz mumkin.

Umumiy qiymatni topishning oddiy misoli

Qattiq eruvchanlik chegaralari "ish chegaralari" degan ma'noni anglatadi.

Bu shuni anglatadiki, ma'lum bir haroratda kremniyga joylashtirilishi mumkin bo'lgan aralashmalar uchun chegara mavjud.

BJT ning emitent va subkollektor diffuziyasi va MOS manbasi va drenaji uchun yuqori konsentratsiya talab qilinadi.

Yuqori konsentratsiya chegarasini engib o'tish uchun diffuziya jarayoni ikki shtat bilan amalga oshiriladi.

Birinchisi - implantatsiya, ikkinchisi - haydash

Qattiq eruvchanlik chegarasi nopoklikning yuqori chegarasi va sirt nopoklik konsentratsiyasi N0 qiymati qattiq eruvchanlik chegarasini aniqlaydi.
Diffuziyaning maqsadi p-tipli materialni n-tipli materialga aylantirish va aksincha, pn birikmasini hosil qilishdir.

Keyin, yarimo'tkazgichdagi birlashmaning qaysi qismini bilishingiz kerak.

Diffuziyada vertikal diffuziya mavjud va lateral diffuziya mavjud.

Vertikal doping vertikal yo'nalishdagi doping bo'lib, Gauss profiliga ega bo'lishi bilan tavsiflanadi.

Asosiy doping - bu n-tipli yoki p-tipli substratni fon doping sifatida ajratadigan doping.

Buning sababi, 100% sof substratni tayyorlash qiyin, shuning uchun u past darajada doping.

Biz Gauss profili orqali xj qiymatini, ya'ni tutashuv chuqurligini topishimiz mumkin.

Agar siz NB/N0 qiymatini bilsangiz, xj qiymatini olishingiz mumkin!

Agar bazaviy doping olib tashlansa, yuqoridagi kabi p-tipli va n-tipli birikmalar yaratilganligini ko'rish mumkin.

Agar qarshilik qiymati doping kontsentratsiyasini o'lchash uchun o'lchansa, doping qiymatini 1: 1 nisbati bilan bilish mumkin.

Doping qiymati qanchalik yuqori bo'lsa, o'tkazuvchanlik shunchalik yuqori bo'ladi va qarshilik shunchalik past bo'ladi.

Ikki bosqichli diffuziyani amalga oshirayotganda, dastlabki bosqichda katta miqdorda implantatsiya jarayoni amalga oshiriladi,

U haydovchi orqali tarqaladi.

Birlashma chuqurligi profil orqali olingan.
Diffuziya aslida 3D jarayondir. Nopoklik vertikal ravishda tarqalganidek, u gorizontal ravishda har ikki yo'nalishda tarqaladi.
Diffuziya konstantasi aslida doping kontsentratsiyasi bilan bog'liq.

Sirtdan masofa oshgani sayin tez kamayadi.

Bu shuni anglatadiki, doping kontsentratsiyasining pasayishi bilan diffuziya koeffitsienti ham kamayadi.

Nopoklik kontsentratsiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, shunchalik ko'p tarqalish mumkin.

Qattiq eruvchanlik chegarasi qattiq kremniyda eritilishi mumkin bo'lgan aralashmalarning yuqori chegara qiymatini anglatadi.

Diffuziya konstantasi harorat bilan o'zgardi va aralashmalarning miqdori va profilini jarayon harorati va eruvchanlik chegarasi orqali olish mumkin edi. Bunga asoslanib, ulanish chuqurligini hisoblash mumkin edi va diffuziya koeffitsienti haqiqatda doping kontsentratsiyasiga mutanosib ekanligi va u sirt dopingidan uzoqlashganda keskin kamayishi aniqlandi.

Qarshilik ulanish chuqurligiga sezgir.

Plitalar qarshiligi diffuziya kanalini yaratuvchi rezistorning birlik qarshiligini aniqlaydi.

Agar choyshabning qarshiligi bir xil bo'lsa, xuddi shu niqobni ishlatish mumkin va u standart bir turdagi o'rnatilishi mumkin.

Birlik maydoniga to'g'ri keladigan o'tkazuvchanlik har xil va u joylashuvga qarab o'zgaradi.

L=W>>t bo'lganda, birlik maydoni dinamik qarshilik Rs (varaqning qarshiligi) aniqlanishi mumkin.

Rsni bilsangiz, qarshilik qiymatini geometriya orqali bilishingiz mumkin.

Qarshilik to'g'ri chiziqda ulanganda va nishab mavjud bo'lganda, qarshilik qiymati bir xil emas.

Qarshilik qiymati yo'lga qarab farq qiladi, lekin buyurtma beruvchi kompaniya sizni xabardor qilgani uchun buni yodlab olishingiz shart emas.
Irvinning egri chiziqlari qatlam qarshiligi va ulanish chuqurligi bo'yicha doping profillarini tahlil qilishdir.

Rs hisoblanishi mumkin va natijada doping kontsentratsiyasining funktsiyasidir.

To'rtta to'plam mavjud: n-G n-E p-G p-E.

X o'qi Rs va xj ko'paytmasi, y o'qi esa sirtdagi doping kontsentratsiyasi.


Sirtdagi doping kontsentratsiyasi ortishi bilan Rs qiymati pasayadi va birlashma chuqurligi ortadi.


Chunki xj logarifmik masshtabda ortadi, lekin Rs chiziqli ravishda kamayadi


Doping qiymati oshishi bilan Rs kamayadi.


Asosiy doping kontsentratsiyasi xj ga proportsional bo'lgani uchun, Nb ortishi bilan Rs biroz ortadi.

Jurnal shkalasida xj ortishi haqidagi ma'lumotlarni ko'rib chiqing

Yuqoridagi kabi 4 ta to'plam mavjudligini ko'rish mumkin.

Agar asosiy doping, sirt doping konsentratsiyasi, profil va Rs ma'lum bo'lsa, ulanish chuqurligini hisoblash mumkin.

Elektron sxema bo'yicha tajribalarda qarshilik ikki nuqtali zond yordamida o'lchandi.


Yarimo'tkazgich jarayonida mikro-rezistorlarni e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi.

Shunday qilib, oqim va qarshilik 4 ball bilan o'lchanadi.


Rs 4 nuqtali probdagi qarshilik qiymatini o'lchash va uni tuzatish omiliga ko'paytirish orqali aniqlanishi mumkin.

Van der Pau usuli - har bir yo'nalishning o'rtacha qiymatini hisoblash orqali xatoni kamaytirish usuli.
Bog'lanish chuqurligini o'lchash va doping kontsentratsiyasi ishlab chiqarish jarayoni kabi muhimdir.


Yalang'och ko'z bilan kuzatishning chegarasi bo'lgani uchun uni o'lchash uchun turli usullar qo'llaniladi.

Ilgari, qismlar maydalangan va Grove-and-stain o'lchangan


Bu qadam farqidan foydalanadigan usul va tasavvurlar maydoni kesilganda,


P-qatlamning qalinligi yuqoridan ko'rilgan plyonkaning qalinligini o'lchash orqali ma'lum bo'lishi mumkin.


Qanday qilib geometrik kattalashtirish mumkin.


Kimyoviy eritmalarda turli darajadagi eruvchanlik darajasidan foydalangan holda p va n tasnifini ajratish mumkin.


Hozirgi vaqtda SEM va TEM kabi elektron mikroskoplar yordamida kuzatilmoqda va maydalash usullari hozircha yaxshi qo'llanilmaydi.


Keyingi - ifloslik kontsentratsiyasini o'lchash.


Nopoklik kontsentratsiyasini o'lchashda E nuri yoki Ion nuri ishlatiladi.

Kremniyga nur tushadi va material tarqaladi.


Ikkilamchi nur sochilgan material bilan aks ettiriladi va


Ikkilamchi ion massa spektroskopiyasidan o'ting (SIMS: massa spektrometri).
SIM kartalar
Mass-spektrometr magnit maydondan foydalanadi.


Ionlashtirilgan nur magnit maydon orqali boshqariladi.


Magnit maydondan o'tganda, u ma'lum bir burchak ostida egiladi.


Bu egilish burchagi massaga qarab o'zgarishini anglatadi.


Agar detektor ma'lum bir joyga joylashtirilsa, faqat ma'lum bir massaning elementlarini yig'ish mumkin.


Qaysi elementlar ma'lum bir vaqtda yig'ilganiga qarab, nopoklik profilini aniqlash mumkin.

(a) platina manbali qayiqdagi qattiq manba


b) pufakchadan o'tuvchi suyuqlik tashuvchi gaz


(c) gazsimon


Manba holatiga qarab reaktor o'zgaradi.

Biz sof manba bilan ta'minlamaymiz, ammo barqaror holatda etkazib beramiz.


U kimyoviy jihatdan o'zgartiriladi va kremniy yuzasidan oddiy manbaga AOK qilinadi.
Fosfor ham shunday.