3. .2.1 Ăn mòn Plasma
3.9.3. Hệ số khuếch tán của các tạp chất thông dụng
Chúng ta sẽ sử dụng mô hình khuyếch tán nút khuyết và en kẽ để mi u tả hệ số khuếch tán của các tạp chất thông dụng.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
tạo thành tụ đám. Hệ số khuếch tán của Bo trong dải nồng độ này b giảm một cách đột ngột.
Hình 3.28: Profile tạp khi khuếch tán Bo nồng độ cao
Hình 3.26 là dạng phân bố tạp Bo thông dụng khi khuyếch tán nồng độ tạp cao. Arsenic khuếch tán trong silic qua các nút khuyết trung tính và nút khuyết tích điện âm. Hệ số khuyếch tán của As trong silic là tương đối nhỏ, vì vây As thư ng được chọn làm tạp loại n mỗi khi đòi hỏi sự tái phân bố là tối thiểu. Tại các nồng độ thấp và trung bình, hệ số khuếch tán được mi u tả rất tốt bằng cơ chế khuyết tán thuần. Tại nồng độ cao cũng c sự khuếch tán gia tăng do điện trư ng .Do đ
As 2 ( i)As i n D D n
Ảnh hưởng của hiệu ứng này là làm cho profile tạp trở n n rất dốc như hình (H.3.27)
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Hình 3.29: Profile tạp khi khuếch tán As nồng độ cao
As còn c u hướng tạo tụ đám en kẽ khi nồng độ vượt quá 20
10 nguy n tử / 3
cm làm cản trở quá trình hoạt h a nhiệt điện. Hiệu ứng này dẫn đến làm phẳng đỉnh phân bố nồng độ cao. Khi ủ ở nhiệt độ cao, mật độ tụ đám tiến đến cân bằng nhiệt với As thay thế . Nồng độ hạt dẫn lớn nhất được cho bởi
22 3 ax 0.453 1.9x10 exp( ) m C cm kT
Như vậy, nồng độ tương đối được ác đ nh bởi nhiệt độ ủ. Ở đây, không phải các tụ đám di chuyển mà các nguy n tử As ri ng lẻ di chuyển.
Phốt pho khuyếch tán nhanh hơn nhiều so vơi As. Ứng dụng của P trong công nghệ VLSI chủ yếu dới hạn để chế tạo giếng( well) loại n và tạo cách điện, tuy rằng ngư i ta c thể lợi dụng hệ số khuếch tán cao của P để giảm điện trư ng cực đại trong transistor MOS( ta sẽ ét điều này kỹ hơn trong chương công nghệ CMOS).
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Hình 3.30: Profile đặc trưng cho khuyếch tán phốt pho nồng độ cao
Tr n H.3.10 là profile tạp khi khuếch tán phốt pho nồng độ cao. Profile c 3 vùng: vùng nồng độ cao, vùng nồng độ thấp, và vùng chuyển tiếp hay vùng gãy. Ở gần bề mặt nồng độ hầu như không đổi. Ngư i ta cho rằng hệ số khuếch tán ở vùng này bao gồm hai phần: Di- trao đổi giữa nút khuyết trung tính và nguy n tử phốt pho và
i
D - ứng với các ion phốt pho tích điện dương kết cặp với các nút khuyết tích điện âm hai lần để tạo thành cặp điện tích âm một lần (PV) 2 2 i n n ph i i D D D
Ở gân vùng gãy nồng độ điện tử giảm đột ngột. Phần lớn các cặp ion nút khuyết b phân ly và các ion phốt pho không kết cặp tiếp tục khuếch tán vào trong đế . Việc phân ly các cặp (PV) tạo n n nồng độ nút khuyết dư, điều này cũng làm tăng hệ số khuếch tán ở vùng đuôi.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
Hình 3.31: Tiền khuếch tán Zn trong GaAs tại 600°C với thời gian 5, 20 và 80 phút
Trên hình H.3.29 là profile tạp kẽm sau giai đoạn tiền khuếch tán (khuyếch tán giai đoạn I) với các th i gian khác nhau, tại nhiệt độ 600°C.
Ta thấy phân bố c vùng bằng phẳng rất rộng và vùng đuôi giảm đột ngột theo hàm mũ. Vùng bằng phẳng b giới hạn bởi độ hòa tan rắn . Mô hình khuyếch tán Zn trong GaAs c hai thành phần: thành phần đầu là mô hình nút khuyết của Fair như đã trình bày ở tr n, thành phần hai ảy ra nhanh hơn nhiều là cơ chế en kẽ thay thế. Trong quá trình này nguy n tử Zn tồn tại ở hai dạng:Một lượng nhỏ các ion en kẽ Znkhuyếch tán nhanh và ion Zn khuếch tán chậm hơn nhiều thông qua trao đổi nút khuyết trung tính. C thể c một số trạng thái tích điện dương tham gia vào quá trình khuếch tán, tuy nhi n ngư i ta cho rằng Znlà chủ yếu. Ở đây, ion
Znkhuyếch tán rất nhanh, cho đến khi gặp VGa. Lúc đ Znb bắt giữ, như ng lại hai lỗ trống, trở thành Znvà điều này làm giảm hệ số khuếch tán của n .
3.9.4. Các hệ khuếch tán
Quá trình khuếch tán được thực hiện trong các lò khuyếch tán, thư ng là các lò ống dạng nằm ngang, tương tự như các lò o i h a.Hai phương pháp thông dụng để nhận các lớp pha tạp mạnh là pha tạp nguồn lỏng và pha tạp nguồn rắn.
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
thư ng là nitơ, thổi qua bình tạo bọt, đưa hỗn hợp khí N2và hơi chứa tạp chất vào lò, áp suất ri ng của tạp chất trong ống lò phụ thuộc vào nhiệt độ bình ổn nhiệt, áp suất khí tr n bề mặt chất lỏng và tỉ lệ luồng khí thổi qua bình bọt so với tổng luồng khí qua lò . Các thiết b thư ng đươc cung cấp cả nguồn khí o i để tạo phản ứng với khí pha tạp. Nguồn Bo thông dụng nhất là
3 r
BB c điểm sôi ở 90°C phản ứng ảy ra trong lò gồm hai giai đoạn : phân ly và oxihóa:
3 2
2BBr 2B3 rB
2 2 3
4B3O 2B O
O ide hình thành được vận chuyển đến bề mặt phiến, o y h a bề mặt và giải ph ng Bo tự do:
2 3 2
2B O 3Si4B3S Oi
Nồng độ BBr3 trong lò cần được kiểm soát một cách c n thận, tuy rằng nồng độ B bề mặt b giới hạn bởi độ hòa tan rắn trong Si tại nhiệt độ khuếch tán. Nếu nồng độ BBr3 quá cao so với nồng độ O2, hợp chất BSi sẻ hình thành tr n bề mặt dẫn đến hiện tượng pha tạp không đồng đều và c thể không t y bỏ được. Nguồn lỏng để pha tạp phốt pho thư ng la POCl3c điểm sôi là 107°C các phản ứng ảy ra tương tự nhưBBr3. O ide tạo thành là P O2 5
phân ly tr n bề mặt phiến, giải ph ng P và SiO2
Hình 3.32: Thiết bị tạo bọt khí dùng để pha tạp phiến Si bằng luồng lỏng POCl.
Nguồn lỏng c nhiều nhược điểm như : chúng thư ng là các chất ăn mòn dễ gây nổ, đòi hỏi ổn đ nh nhiệt chính ác vì áp suất hơi tăng theo hàm mũ khi nhiệt độ tăng. Ngoài ra, luôn c nguy cơ hình thành các hợp chất không hòa tan tr n bề mặt phiến, tuy không nhìn thấy nhưng c ảnh hưởng
Giáo án kỹ thuật vi điện tử Bộ môn công nghệ điện tử
rất ấu đến chất lượng các khâu công nghiệp tiếp theo.
Nguồn rắn khuếch tán là các đĩa c kích thước gần như kích thước phiến bán dẫn, được ếp en kẽ với nhau trong lò. Để khuyếch tán lơp p ngư i ta dùng đĩa Bo nitride (BN). Khi b o y h a ở khoảng 50÷1100°C một lớp màng B O2 3hình thành tr n bề mặt. Khi c khí H2đi qua hợp chất dễ bay hơi HBO2hình thành và khuếch tán đến bề mặt phiến để tạo n n thủy tinh borosilicate. Lớp thủy tinh này chính là nguồn khuếch tán Bo vào trong đế. Nồng độ bề mặt thư ng giới hạn bởi độ hòa tan rắn.
Để tạo vùng khuếch tán n trong Si c thể dùng đĩa chứa As hoặc P. Đĩa chứa phốt pho bao gồm monophốtphat amôni (NH H PO4 2 4) hoặc diphốtphat amôni (NH42H PO2 4) tr n nền gốm . Ngồn As được đưa đến bề mặt dưới dạng As2O3. Trong các hai trư ng hợp khuếch tán P và As từ nguồn rắn, đều phải chú ý để tránh hình thành lớp o ide nhiệt không pha tạp tr n bề mặt phiến trước khi pha tạp, vì lớp o ide này sẽ ngăn cản tạp chất khuếch tán vào đế.