Dopado de semiconductores

Dopado de semiconductores - difusión atómica e implantación de iones -

Dopado de semiconductores

- difusión atómica e implantación de iones -

andrés alanís

8 de abril de 2013

andrés alanís Dopado de semiconductores - difusión atómica e implantación de iones -



Hornos de difusión atómica para el dopado de semiconductores




Sirve para controlar sus propiedades eléctricas y ópticas

principalmente

Consiste en agregar impurezas de manera controlada en la

estructura atómica de un semiconductor intrínseco

En el proceso de dopado se controla: i) el tipo de

conductividad (N o P), ii) el valor de resistividad y

conductividad eléctrica, iii) el ancho de banda prohibida.

Los parámetros a controlar son: el espesor de la capa que se

dopa, el per�l de dopado, etc.




El proceso de difusión de sólidos, es análogo a la difusión de gases y

líquidos...




Representación de la difusión de sólidos en función del tiempo.




Básicamente existen 3 técnicas para dopar a los semiconductores:

1 Fase gaseosa: difusión atómica o difusión termica

2 Fase sólida: difusión atómica de una película delgada o por

implantación de iones

3 In-situ: dopado durante la síntesis del material semiconductor



Fuentes de dopantes en fase gaseosa

Para dopar tipo P: Tri�uoruro de boro (BF3), Tricloruro de

boro (BCl3), Diborano (B2H6).

Para dopar tipo N: Fos�na (PH3), Penta�uoruro de fósforo

(PF5); Arsina (AsH3), Tri�uoruro de arsénico (AsF3)



Fuentes de dopantes en fase gaseosa

En algunos procesos se añade oxígeno para formar óxidos -sólidos-

del elemento dopante, éste se deposita sobre la super�cie del

semiconductor y posteriormente se difunde en el material.



Fuentes de dopantes en fase líquida

Este tipo de dopantes se utilizan junto con un sistema de burbujeo

con un gas inerte.

Para dopar tipo P: BBr3

Para dopar tipo N: POCl3



Difusión atómica: proceso térmico

El sistema consta de i) un tubo de cuarzo, ii) bomba de vacío, iii)

gases inertes (portador o de arrastre), iv) precursores del dopante

(en fase gaseosa o líquida, p.ej., POCl3).



Difusión atómica: proceso térmico



Dopado mediante difusión atómica

Se crea una capa uniforme de semiconductor tipo N sobre toda la

super�cie de la oblea.

Mediante soluciones químicas se remueve el fósforo no deseado.




Difusión térmica de las impurezas




Impureza substitucional; aniquilación de una vacancia.




Difusión de impurezas intersticiales




Intercambio directo o difusión de vacancias.




¾Pero cuántas impurezas podemos introducir a un semiconductor?

Depende del tipo de impureza y del material a dopar

De manera análoga a las soluciones saturadas en el área química en

donde se utiliza el término límite de solubilidad, es decir: cuánto

soluto se puede disolver un disolvente; en semiconductores se utiliza

el término límite de solubilidad del sólido: cuánto material sólido

puede introducirse a otro material sólido.




Límite de solubilidad del sólido




La profundidad a la que se

difunden las impurezas a

través del semiconductor

depende de un parámetro

físico denominado coe�ciente

de difusión, D, tiene

unidades de aceleración y éste

depende de la temperatura.

Ley de Fick: J = −D dNd

dx

J: densidad de �ujo atómico

(átomos·cm−2)




Ley -de difusión- de Fick




Per�l de distribución de dopantes



Dopado mediante Implantación de iones

Un sistema de implantación de iones es un acelerador de partículas.



Sistema de Implantación de iones

1 Consiste en introducir al semiconductor, iones de alta energía

2 Las impurezas se introducen como iones

3 Los iones son atraídos y acelerados por fuertes campos

magnéticos

4 Los iones impactan o implantan sobre el blanco: el

semiconductor a dopar

5 La profundidad de penetración de los iones depende de la

energía: 10 - 100 keV

6 Este proceso se denomina implantación de iones



Dopado mediante implantación de iones



Per�l de distribución de los dopantes

Es indispensable controlar

la profundidad de

penetración, así como la

concentración de

impurezas, para controlar

la densidad de niveles Nd

o Na.

Per�l de distribución de las

impurezas introducidas en

la estructura de un

semiconductor, en función

de la energía de

aceleración.




Durante la implantación la estructura se altera debido al impacto de

los iones, y es necesario reparar el daño mediante recristalización.




Recristalización y redistribución de los dopantes

Durante el proceso de implantación de iones, la estructura cristalina

es alterada drásticamente en la super�cie, por ello es necesesario

someter a las muestras a tratamientos térmicos para para

recristalizar la estructura y redistribuir los dopantes.



Difusión v.s. implantación

Per�les de distribución de dopantes


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