Предельная растворимость примесей в Si

Т, К	1173	1273	1373	1473	1573
Nпред (бор), см-3 Nпред (фосфор), см-3	1·1020 7·1020	1,5·1020 1·1021	2·1020 1,2·1021	4·1020 1,2·1021	4·1020 1·1021

Таблица 2.7.

Максимальная растворимость некоторых примесей в кремнии.

Элемент	Максимальная растворимость, см-3	Температура максимальной растворимости, оС
Алюминий	21019	1150
Бор	41020	1200
Висмут	81017	1300
Галлий	41019	1250
Индий	1019	1300
Мышьяк	21021	1150
Сурьма	81019	1300
Фосфор	1,31021	1150

Диффузия из ограниченного источника

При диффузии из конечного (ограниченного) источника предполагается, что в начальный момент времени диффундирующие атомы примеси (Q – количество атомов на единицу поверхности) находятся в бесконечно тонком приповерхностном слое, и количество их не меняется во время всего процесса диффузии. В таком случае говорят, что на поверхности имеется существенно планарный источник легирующей примеси. Эта ситуация реализуется, если в тонкий приповерхностный слой введено некоторое количество примеси методом ионной имплантации или диффузией из неограниченного источника.

Тогда начальные условия N( x,0 ) = 0 ,

граничные условия │_x=0 = 0

и решение уравнения (2.15) принимает вид распределения Гаусса:

N( x,t) = (2.17)

Поверхностная концентрация примеси при этом равна

N_s = (2.18)

и уменьшается в процессе диффузии (рис 2.10).

Рис.2.10. Зависимость концентрации легирующей примеси от расстояния от поверхности в случае легирования из ограниченного источника.

Двухстадийная диффузия.

Двухстадийная диффузия часто используется, например, для получения базовых областей биполярных транзисторов. Первая стадия – загонка примеси состоит в проведении процесса диффузии из бесконечного источника при низкой температуре в течение короткого времени. Загонка определенного количества примеси в приповерхностный слой может осуществляться также методом ионной имплантации. На второй стадии поступление примеси из внешнего источника прекращается и введенную ранее примесь перераспределяют путем проведения процесса в окислительной атмосфере.

Если загонка примеси осуществлена методом ионной имплантации, то величина Q равна дозе введенной примеси Ф [ион/см²]. Если загонка примеси осуществлена диффузией из неограниченного источника, то величину Q можно найти, пользуясь первым диффузионным законом Фика (2.13).

Поток диффундирующих атомов через единицу поверхности на стадии загонки равен

J(t) = -D₁ │_x=0 = , (2.19)

где D₁ = коэффициент диффузии атомов примеси на стадии загонки (зависит от температуры процесса загонки); - поверхностная концентрация атомов примеси на стадии загонки. Поскольку

Q = , (2.20)

где t₁ – длительность загонки, то закон распределения атомов легирующей примеси после двухстадийного диффузионного процесса имеет вид

N( x,t) = (2 , (2.21)

где t₂ – продолжительность второй стадии – разгонки. Полученное выражение хорошо описывает примесный профиль, если толщина диффузионного слоя после разгонки намного превышает соответствующую толщину после стадии загонки, т.е. для больших значений длительности разгонки t₂.