Dopaje

En la tecnología de semiconductores, el dopaje o dopaje (del latín dotare , "equipar") se refiere a la introducción de átomos extraños en una capa o en el material base de un circuito integrado . La cantidad introducida durante este proceso es muy pequeña en comparación con el material portador (entre 0,1 y 100  ppm ). Los átomos extraños son defectos en el material semiconductor y cambian específicamente las propiedades del material de partida, es decir, H. el comportamiento de los electrones y por tanto la conductividad eléctrica . Incluso una ligera densidad de átomos extraños puede provocar un cambio muy grande en la conductividad eléctrica.

Existen varios métodos de dopaje, p. Ej. B. difusión , electroforesis , resublimación o bombardeo con cañones de partículas de alta energía al vacío ( implantación de iones ).

Semiconductores inorgánicos

antecedentes

Si se va a cambiar la conductividad eléctrica de los semiconductores, se hace una distinción entre dopaje p y n. Con el dopaje p , se implantan átomos extraños, que sirven como aceptores de electrones . Sin embargo, con el dopaje n , se implantan donantes de electrones . Para cambiar la conductividad eléctrica de los componentes semiconductores comunes hechos de silicio o germanio (el cuarto grupo principal ), los elementos del tercer grupo principal, como boro , indio , aluminio o galio, provienen de las regiones p y los elementos del quinto grupo principal. como para las regiones n, por ejemplo , se utilizan fósforo , arsénico o antimonio .

El semiconductor III-V de arseniuro de galio (GaAs), por ejemplo con elementos como carbono dopado positivamente y telurio dopado negativamente.

Otra aplicación de uso frecuente en microelectrónica es el dopado de dióxido de silicio con boro o fósforo. El vidrio de borofosfosilicato resultante (BPSG) tiene un punto de fusión de 600 a 700 Kelvin más bajo que el del dióxido de silicio. Esto hace que el BPSG sea adecuado, por ejemplo, para aplanar la superficie de la oblea con la ayuda de un proceso de reflujo.

Tome el silicio, por ejemplo

Dopaje en la red de cristal de silicio

n-dopaje con fósforo

dopaje p con aluminio

Utilizando el ejemplo del silicio, el material base más utilizado para componentes semiconductores, se describirá brevemente a continuación lo que se entiende por dopaje n y p (dopaje negativo y positivo ).

Un monocristal de silicio consta de átomos de silicio tetravalentes. Los cuatro electrones de valencia ( electrones externos) de cada átomo de silicio forman cuatro enlaces covalentes con sus átomos vecinos y, por lo tanto, forman la estructura cristalina; esto hace que los cuatro electrones se unan a los electrones .

Con el dopaje n (n para la carga negativa que se mueve libremente que se introduce), los elementos pentavalentes, los llamados donantes , se introducen en la red de silicio y reemplazan a los átomos de silicio tetravalentes. Un elemento pentavalente tiene cinco electrones externos disponibles para enlaces covalentes, de modo que cuando un átomo de silicio es reemplazado por un átomo extraño en el cristal, un electrón externo del donante está (cuasi) disponible libremente (en realidad enlazado en un nivel de energía justo debajo del banda de conducción). El electrón se mueve cuando se aplica un voltaje, este movimiento representa una corriente En el punto del átomo donante se crea una carga positiva fija, que se opone a una carga negativa del electrón que se mueve libremente.

Con p-dopaje (p para el espacio positivo que se mueve libremente, también llamado electrón hueco o defectuoso , que se introduce como resultado) , se introducen elementos trivalentes, los llamados aceptores , en la red de silicio y reemplazan los átomos de silicio tetravalentes. Un elemento trivalente tiene tres electrones externos disponibles para enlaces covalentes. Para el cuarto, falta un electrón externo en el cristal de silicio. Esta vacante de electrones se denomina "hueco" o electrón defectuoso. Cuando se aplica un voltaje, este agujero se comporta como un portador de carga positiva que se mueve libremente (en la banda de valencia), se mueve, de manera análoga al electrón cargado negativamente, este movimiento representa una corriente. Un electrón, impulsado por el campo externo, salta de un enlace covalente, llena un agujero y deja un nuevo agujero. En el lugar del átomo aceptor surge una carga negativa estacionaria, que se opone a una carga positiva del agujero que se mueve libremente.

La dirección de movimiento de los agujeros es opuesta a la dirección de movimiento de los electrones y, por tanto, en la dirección de la dirección de la corriente técnica .

El modelo de cinta proporciona una descripción más detallada de los efectos eléctricos .

Fuerza de dopaje

En electrónica, se necesita dopaje con diferentes grados de dopaje. Aquí se hace una distinción entre dopaje fuerte (n ⁺ ; p ⁺ ), dopaje medio (n; p) y dopaje débil (n ^- , p ^- )

unión pn, componentes

Por tanto, diferentes regiones de dopaje espacialmente adyacentes en el semiconductor pueden formar, por ejemplo, una unión pn con una zona de carga espacial , que tiene un efecto rectificador en diodos convencionales . Se pueden usar arreglos complejos de varias uniones pn para formar componentes complejos como transistores bipolares en diseño npn o pnp . Los términos npn o pnp en el caso de transistores bipolares denotan la secuencia de las diferentes capas de dopaje. Los tiristores o triacs , entre otras cosas, se forman con cuatro o más capas de dopaje .

Semiconductores orgánicos

De manera similar a los cristales semiconductores inorgánicos, las propiedades eléctricas de los polímeros conductores de electricidad como la polianilina (PANI) y los semiconductores orgánicos se pueden cambiar mediante dopaje. Al sustituir átomos de carbono en la estructura de la cadena del polímero, las longitudes de los enlaces cambian. De esta forma, surgen niveles de energía intermedios en las bandas de energía de la molécula o del semiconductor en su conjunto, los denominados polarones o bipolarones . Al igual que los semiconductores inorgánicos, el dopaje se divide en dos grupos: reacción de oxidación (dopaje p) y reacción de reducción (dopaje n).

A diferencia de los semiconductores inorgánicos, la concentración de dopaje en los semiconductores orgánicos puede estar en el rango de porcentaje. Un nivel tan alto de dopaje cambia no solo las propiedades eléctricas, sino también todas las demás propiedades del material.

Proceso de dopaje

En principio, se pueden distinguir cuatro métodos o técnicas para introducir átomos extraños en un material para dopar semiconductores:

• aleación ,
• La difusión ,
• Implantación de iones y
• Dopaje por transmutación de neutrones , d. H. Dopaje mediante transformación nuclear.

Además, también existen técnicas para producir regiones dopadas (de manera diferente) durante la deposición de una capa (por deposición química de vapor o epitaxia ) o del crecimiento de cristales .

En la fabricación de productos semiconductores, estas técnicas se pueden utilizar de forma alternativa o complementaria, dependiendo de la aplicación. Las regiones de transistores bipolares dopadas de forma diferente pueden producirse así mediante difusión, aleación o también mediante implantación de iones. La elección de la tecnología adecuada depende de varios requisitos y condiciones marco, p. Ej. B. Control de proceso, balance térmico en el proceso general, sistemas disponibles, reducción de contaminación o simplemente los costos.

Dopaje de aleación

La tecnología de aleaciones es el método más antiguo de dopaje de semiconductores en la tecnología de semiconductores. Se basa en la disolución parcial controlada del semiconductor mediante la formación de una masa fundida metal-semiconductor superficial y su posterior recristalización.

En un primer paso, la fuente de dopante se aplica al material objetivo, por ejemplo, mediante deposición física de vapor (PVD). Luego se aumenta la temperatura, mientras que parte del dopante se difunde superficialmente en el semiconductor y forma inicialmente un siliciuro metálico, por ejemplo en el caso del aluminio en silicio . Siguió otro aumento de temperatura hasta que la superficie (el siliciuro) comienza a derretirse. Al mismo tiempo, más dopante se difunde en el semiconductor y estas áreas también se funden. La profundidad de fusión en el semiconductor está determinada por la cantidad de dopante depositado y la solubilidad a la temperatura máxima. Esto depende de la combinación de materiales y se puede determinar a partir del diagrama de fases . Por tanto, la cantidad de dopante depositado determina la profundidad de la aleación y, por tanto, la posición posterior de la unión pn resultante. En el último paso, la masa fundida se enfría lentamente para que recristalice epitaxialmente en el semiconductor como una capa altamente dopada . La concentración de dopaje cambia de acuerdo con la curva de solubilidad en el diagrama de fases. Si el dopaje no tiene lugar en todo el semiconductor, debe evitarse (localmente) la difusión del dopante y la formación de la masa fundida en las áreas correspondientes. En el sistema de material de aluminio-silicio, esto se puede conseguir mediante una capa de dióxido de silicio suficientemente gruesa, por ejemplo mediante oxidación térmica del silicio, estructuración fotolitográfica y posterior grabado de la capa de óxido.

El dopaje de aleaciones está fuertemente influenciado por el diagrama de fases del sistema de materiales. Esto significa, por un lado, que no se puede introducir ningún dopante en un semiconductor y, por otro lado, la concentración de dopaje y también la posición de la unión pn están severamente limitadas. Los sistemas de aleación más conocidos son el dopaje con indio en un cristal de germanio y el dopaje de aluminio en silicio. Hoy en día, el método ya no se utiliza en la producción en volumen de componentes semiconductores. Además de los desafíos del proceso (por ejemplo, las grietas en la unión pn ocurren fácilmente debido a la fragilidad de las aleaciones de silicio), también es difícil de aplicar a los circuitos CMOS que son comunes en la actualidad .

Dopaje por difusión

Se entiende generalmente que la difusión es un proceso de ecualización activado térmicamente para una diferencia de concentración en un sólido, en líquidos o gases sin influencia externa (por ejemplo, un campo eléctrico). Si hay diferencias en la concentración, los átomos extraños pueden penetrar en otro cuerpo sólido a temperaturas suficientemente altas y moverse allí. Esto se puede hacer de tres formas:

• Difusión de vacantes, d. H. a través de espacios vacíos en la celosía de cristal
• Difusión intersticial, d. H. entre los átomos en la red cristalina
• Cambio de lugar, d. H. Intercambio de los sitios de la red de átomos vecinos.

Los procesos de difusión en sólidos se describen utilizando las leyes de Fick . Dependen de varios factores:

• Material de la sustancia extraña y el objetivo y sus propiedades, p. Ej. B. orientación del cristal,
• Diferencia de concentración,
• Temperatura también
• Concentración de otros dopantes en el cristal.

Según Fick, la rapidez con que se mueve un dopante en el cristal se describe mediante el coeficiente de difusión de una sustancia. Esto depende del tamaño del átomo y del tipo de difusión en el sustrato; por ejemplo, el coeficiente de difusión en el silicio generalmente aumenta de arsénico a fósforo a boro. Por lo tanto, debido al pequeño coeficiente de difusión y al tiempo de proceso necesario resultante, el arsénico es prácticamente inadecuado para introducir el dopaje profundamente en el cristal, por ejemplo, para producir el pocillo dopado n del proceso CMOS.

Como se mencionó, un aspecto importante para la difusión y el perfil de dopaje resultante es la diferencia de concentración. Las diferencias resultan principalmente de las características de la fuente dopante, por lo que se hace una distinción entre dos casos: 1.) Difusión desde una fuente inagotable y 2.) Difusión desde una fuente agotable. En el caso de una fuente inagotable de dopantes, se supone que la concentración de dopantes en la superficie del cristal es constante y que los átomos extraños difundidos en la profundidad son, por tanto, reemplazados directamente desde la fuente de dopantes. Esto significa que al aumentar el tiempo de difusión y la temperatura, el dopante se difunde más profundamente en el cristal y la cantidad aumenta. La concentración en la superficie permanece constante. En la práctica, la difusión desde la fase gaseosa con una concentración constante de dopante en el espacio gaseoso puede verse como una fuente inagotable de dopantes. En el caso de difusión desde una fuente agotable de dopante, la cantidad de dopante es constante. Al aumentar el tiempo de difusión y la temperatura, aumenta la profundidad de penetración del dopante, pero al mismo tiempo disminuye la concentración en la superficie. Un ejemplo práctico es la difusión de una capa en la superficie o la difusión de los dopantes después de la introducción mediante implantación de iones.

Como fuente de dopante, no se suelen utilizar elementos puros porque su presión de vapor es demasiado baja y son difíciles de vaporizar. Por lo tanto, generalmente se utilizan moléculas ligeras que se generan a partir de fuentes gaseosas, líquidas o sólidas. En la tecnología de semiconductores, las fuentes de gas típicas para dopar silicio son fosfina (PH ₃ ), diborano (B ₂ H ₆ ) y arsina (AsH ₃ ) en un gas portador (argón, nitrógeno) en un horno de cuarzo a temperaturas de 800-1200 ° C se pasa sobre la oblea. Las fuentes típicas de dopantes líquidos son el bromuro de boro (BBr ₃ ) o el cloruro de fosforilo (POCl ₃ ). Se llevan al gas portador a través de un sistema de burbujeo y luego se pasan sobre las obleas como las fuentes de gas. La concentración en el espacio de gas se puede controlar con relativa facilidad a través de la temperatura del burbujeador y los sistemas son más fáciles y seguros de manejar. Las fuentes de difusión sólida son, por ejemplo, nitruro de boro o SiP ₂ O ₇ , que se colocan como una "oblea fuente" o como una capa sobre una oblea entre las obleas en el horno. A altas temperaturas, parte de este material se difunde en el espacio de gas del horno.

Para proteger las áreas cristalinas contra la difusión, se enmascaran las áreas a proteger con dióxido de silicio, es decir, se hace crecer una capa de óxido de silicio de aproximadamente 300 nm de espesor (ver oxidación térmica del silicio ) y luego se elimina localmente en las áreas para la difusión. Dado que el coeficiente de difusión de los dopantes típicos en el óxido de silicio suele ser varios órdenes de magnitud menor que el del silicio, los dopantes no pueden penetrar el óxido y, por tanto, no pueden dopar el silicio.

El silicio natural de grosor irregular también dificulta la difusión desde el espacio de gas. Por lo tanto, para lograr una introducción uniforme, a menudo se hace crecer un óxido térmico fino uniforme antes de la difusión. Además, en la práctica se usa a menudo un proceso de dos etapas, en el que una cierta cantidad de dopante se introduce primero en o sobre la oblea a temperaturas medias y luego se introduce en la oblea a temperaturas más altas. De esta manera, se puede controlar mejor la profundidad de penetración y la concentración. El primer paso también se puede realizar como una oxidación, en la que, además del dopante y el gas portador, también se suministra oxígeno al espacio de gas. Se forma una capa de vidrio de silicato muy dopado que sirve como fuente agotable durante la conducción, especialmente con dopaje con fósforo.

Implantación de iones

Con la implantación de iones, los átomos ( iones ) cargados (extraños) se aceleran con la ayuda de un campo eléctrico y luego se dirigen hacia el objetivo (por ejemplo, una oblea de silicio). Los sistemas de producción correspondientes se denominan implantadores de iones en la tecnología de semiconductores . Los iones dirigidos al material objetivo penetran en el mismo e interactúan con él. Se producen colisiones tanto elásticas como inelásticas con los electrones y los núcleos atómicos. Por un lado, los iones se encuentran dispersos, es decir, Es decir, experimentan un cambio en la dirección del movimiento y por otro lado pierden energía cinética (colisiones inelásticas, frenado electrónico).

A diferencia de la difusión, con la implantación de iones el máximo de dopaje no está en la superficie del material objetivo, sino en la profundidad. La distribución de los iones en el material objetivo depende de las propiedades del ión (masa atómica, sección transversal de frenado, energía, etc.) y del material objetivo (masa atómica, densidad, estructura cristalina, dirección del cristal, etc.). Básicamente, se puede decir que los iones más ligeros (por ejemplo, el boro) se pueden implantar más profundamente que los iones más pesados ​​(por ejemplo, el arsénico). Los átomos de dopaje se distribuyen aproximadamente normalmente en la profundidad, de modo que un perfil parabólico de la concentración de dopante da como resultado una representación semilogarítmica. La profundidad media de los iones se llama rango proyectado . Para un sistema definido, por ejemplo, iones de fósforo en un objetivo de silicio, depende principalmente del voltaje de aceleración de los iones y, por lo tanto, de su energía cinética. Estrictamente hablando, esto solo se aplica a objetivos amorfos (ver teoría LSS ). Con objetivos cristalinos y, sobre todo, monocristalinos, los átomos no se distribuyen uniformemente en promedio y la estructura cristalina y su alineación con el haz de iones pueden conducir a cambios importantes en la profundidad de penetración media e individual (ver efecto de guía de cuadrícula ). Esto se puede reducir mediante un ángulo de incidencia diferente de los iones, un corte ligeramente desplazado de la superficie del material objetivo a la dirección problemática del cristal o mediante capas de dispersión. El nivel del perfil de concentración de dopante, por otro lado, también está determinado por la "dosis", es decir, el número de iones por área. En la tecnología de semiconductores, las dosis habituales están en el rango de 10 ¹² −10 ¹⁵  cm ⁻² . La concentración máxima de dopante asociada (en cm ⁻³ ) suele ser de 3 a 4 órdenes de magnitud mayor. Dado que la implantación de iones no es un proceso de desequilibrio, las concentraciones de dopaje se pueden ajustar bien e incluso pueden estar por encima del límite de solubilidad termodinámica. ${\ Displaystyle R_ {p}}$

Los iones inyectados provocan daños en el cristal debido a las colisiones elásticas con los núcleos atómicos, incluso con pequeñas dosis. Esto rompe los enlaces en el cristal y desplaza los átomos del objetivo. A dosis muy altas, esto puede conducir a una amorfización en la superficie, especialmente en el caso de iones pesados, que a veces también se produce de manera selectiva. Una vez que los iones inyectados han abandonado su energía cinética, suelen acumularse en los espacios intersticiales. Estos no son eléctricamente activos. Para eliminar el daño del cristal y permitir que los iones implantados se difundan en sitios de rejilla eléctricamente efectivos (activos), el objetivo se somete por tanto a un tratamiento de temperatura (el llamado "curado"). Por lo general, esto se lleva a cabo en un horno (por ejemplo, horno de oxidación) durante 10 a 90 minutos al menos a 900 ° C o, para mantener la difusión baja o controlarla mejor, mediante recocido térmico rápido (RTA) durante unos segundos a temperaturas similares. . Esto es posible porque es principalmente la temperatura máxima y no la duración del tratamiento de temperatura lo que es relevante. Con la instalación en la red cristalina del objetivo, los perfiles de dopaje también se estabilizan, ya que la difusión en los sitios intersticiales se produciría mucho más rápido. Sin embargo, cabe señalar que durante el tratamiento de temperatura, según el método utilizado y los parámetros del proceso, no todos los iones se incorporan a la red cristalina.

Al fabricar componentes semiconductores mediante implantación de iones, como ocurre con la difusión, nunca se deben dopar todos los puntos por igual. Las áreas que no deben doparse se cubren con una máscara. A menudo es suficiente una máscara fotorresistente del grosor apropiado. También se utilizan las denominadas máscaras duras de óxido de silicio, nitruro de silicio o polisilicio. Además, las estructuras existentes en el objetivo se pueden utilizar para procesos de implantación de iones autoalineables (ver tecnología espaciadora ).

Transmutación nuclear iniciada por dopaje de neutrones

Con algunos materiales, p. Ej. B. silicio, el dopaje también se puede lograr mediante irradiación con neutrones, por ejemplo, en un reactor de agua pesada. El número de masa de algunos átomos aumenta en uno mediante la acumulación de neutrones . Esto puede dar lugar a núcleos tanto estables como inestables que, según su vida media , transforman un isótopo de otro elemento, por ejemplo mediante desintegración beta . En casos especiales, se pueden "introducir" átomos extraños en un objetivo, por ejemplo, dopaje con bajo contenido de fósforo (<10 ¹⁴  cm- ³ ) con máxima uniformidad en un mayor volumen de silicio. Es posible un mayor dopaje, pero está asociado con tiempos de proceso significativamente más largos (> 100 h) y, por lo tanto, es prácticamente irrelevante.

Las ventajas del dopaje por transmutación de neutrones en comparación con el dopaje durante la extracción de cristales radican en la uniformidad mucho mayor sin la formación de estrías , es decir, dopaje o fluctuaciones de alteración en el monocristal. El método se utilizó originalmente para la producción de sustrato o el dopado de componentes semiconductores de potencia, que son muy sensibles a. Las alteraciones y las fluctuaciones son. Sin embargo, se puede ver que el esfuerzo técnico también es problemático por razones de protección radiológica, por lo que los fabricantes de monocristales llevan varios años trabajando para mejorar el dopaje durante el crecimiento de cristales y han avanzado aquí.

Comparación de los métodos de dopaje

La difusión se caracteriza por las siguientes propiedades:

• perfiles de concentración planos y, por tanto, uniones pn anchas,
• La concentración de dopante disminuye con la profundidad y está determinada por el tiempo y la temperatura del proceso.
• Fuerte interacción con varios procesos de dopaje, p. ej. B. Deterioro de los perfiles y difusión externa
• dependencia exponencial de la temperatura peor reproducibilidad
• El esparcimiento lateral de los dopantes conduce a una gran demanda de área y las densidades de integración muy altas ya no son compatibles
• Proceso simple en el que se pueden procesar muchas obleas en un horno al mismo tiempo y, por lo tanto, es económico.

La implantación de iones, sin embargo, se caracteriza por las siguientes propiedades:

• uniones pn pronunciadas debido a la alta reproducibilidad y la baja carga térmica
• Implantación independiente del límite de solubilidad
• Fabricación de áreas "enterradas"
• Fabricación de áreas de concentración de dopaje similar mediante implantación múltiple coordinada
• Implantación local económica mediante el uso de máscaras fotorresistentes
• amplia gama de elementos implantables
• alto esfuerzo técnico (aceleración, alto vacío, etc.) y, por lo tanto, comparativamente caro
• dopaje muy limitado de estructuras con relaciones de aspecto elevadas, p. ej. B. trincheras profundas.

utilizar

También en la tecnología de microsistemas, las áreas o capas se dopan específicamente para cambiar las propiedades del material. El objetivo aquí no es tanto influir en las propiedades eléctricas, sino cambiar las propiedades químicas o mecánicas como regla. Un ejemplo típico es la creación de una capa de parada de grabado para el grabado químico húmedo (anisotrópico) de silicio a través del dopado con boro dirigido de silicio con concentraciones superiores a 5 · 10 ¹⁹  cm ⁻³ . Un dopaje tan alto con boro conduce a una alta concentración ν de electrones defectuosos que se recombinan con los electrones de silicio. Por esta razón, solo unos pocos electrones están disponibles para la reacción redox de los agentes de ataque alcalinos con silicio, lo que conduce a una disminución en la velocidad de reacción y, por lo tanto, en la velocidad de ataque. A cambio, la incorporación de grandes cantidades de boro conduce a un cambio en el espaciado de la rejilla y, por lo tanto, a una tensión mecánica. Esto debe tenerse en cuenta si la capa de parada de ataque se va a utilizar más tarde, por ejemplo, como membrana en un sensor de presión.

Ver también

• Portadores minoritarios
• Transportista mayoritario

enlaces web

• Proceso de dopaje
• Conceptos básicos del dopaje

Evidencia individual

1. ↑ Hilleringmann, Ulrich: Tecnología de semiconductores de silicio: Fundamentos de la tecnología de integración microelectrónica . 5º, suplementario y ext. Edición. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8351-0245-3 , págs. 95 ff . 
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