为了说明杂质在两种材料的界面的扩散的过程,首先研究两个半无限的SiO2和Si在界面处的扩散,如图图3.3所示。假设杂质在SiO2中均匀分布,初始浓度为N0,在Si中的浓度为0,可以得出杂质在二氧化硅中的分布[12]:
图3.3 SiO2和Si的半无限扩散模型
在界面附近,杂质浓度大大减小,并且不随时间变化。由于杂质在不同的材料中杂质的扩散系数相差很大,杂质在Si中扩散比在SiO2中扩散快得多,使通过界面进入硅中的杂质很快扩散到更大的范围内,导致了杂质在硅中的浓度下降。同时,硅中杂质浓度的下降又引起了杂质在界面附近的二氧化硅中的浓度降低,浓度梯度的增大。这种由于杂质的扩散系数不同,导致杂质在界面附近的浓度急剧下降,这种现象称为抽取效应。相反,当杂质由扩散系数大的材料进入扩散系数小的材料时,扩散到界面的杂质不能有效的扩散走,这就会造成杂质在界面处的积累使界面处杂质浓度升高,这种现象称为积累效应。这种由于扩散系数的不同造成杂质浓度在界面处下降和升高的现象在半导体热氧化工艺中经常看到。
图3.4 杂质通过SiO2扩散的改进模型
对于杂质通过SiO2向Si中扩散的情况,在SiO2/Si界面处,由于抽取效应,杂质浓度已经不再是C1(d,t),而下降到了C´1(d,t),如图3.4所示。为了确定C´1(d,t)与C1(d,t)的关系,把C1(d,t)在很短的时间内可以近似为不变,所以根据方程(3.33)可以得出:
在键合硅片的界面处,杂质的浓度仍然按照杂质的分凝系数m进行分配,即:C2(d,t)=mC´1(d,t)。
根据边界条件(3.34),由上面的方程运用拉布拉斯变换可以得到杂质在硅中的分布为:
其他研究者也给出了杂质通过二氧化硅层后在硅中的分布[10],
方程(3.35)与方程(3.36)相比较,只是在系数上有一点不同,但是没有给出方程(3.36)的推导过程,不知道出现差别的原因。