Zusammenfassung
Unter Dotierung versteht man eine Beimengung bestimmter Stoffe zu einer vorgegebenen Substanz. Dabei kann die Substanz einen geordneten (kristallinen) Aufbau besitzen oder einen ungeordneten (z.B. amorphen); sie kann aus nur einem Element aufgebaut sein oder aus mehreren.
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Kann ein und dasselbe Element sowohl p-als auch n-Leitungstyp hervorrufen, so handelt es sich dann um den sog. amphoteren Einbau.
Die Ausführungen über die Phasendiagramme in Abschn.3.2 sollten als theoretische Grundlagen für dieses Verfahren mit betrachtet werden.
Dieses Kapitel behandelt nur die Diffusion in Silizium. Der allgemeine Formalismus (Abschn.4.2.2) ist natürlich auch auf andere Grundmaterialien anwendbar, doch die experimentellen Diffusions-verfahren für GaAs z.B. unterscheiden sich aufgrund der komplizierten chemischen Eigenschaften des Mischkristalls von denen des Siliziums erheblich. Da deren Beschreibung zu viel Raum beansprucht hätte, sei hier auf die ausführliche Darstellung von Münch, die bereits in der Fußnote 2 auf S.66 erwähnt ist, verwiesen.
Belegung und Nachdiffusion werden sehr oft bei verschiedenen Temperaturenausgeführt. Wenn man z.B. eine sehr geringe Belegungskonzentration wünscht, so ist es vorteilhaft, diese bei einer vergleichsweise niederen Temperatur (z.B. 1000°C) auszuführen, da hier Diffusionskonstante und Löslichkeit kleiner sind. Dagegen reicht diese Temperatur meist nicht aus, um bei der Nachdiffusion die gewünschte Diffusionstiefe in annehmbarer Zeit zu erhalten. Liegen n Diffusionsschritte bei verschiedenen Temperaturen mit verschiedenen Zeiten vor, so ergibt sich der Gesamtdiffusionsparameter nach
Ein pn-Übergang liegt dann in einer Tiefe In diesem Fall ist NA die Oberflächenkonzentration des eindiffundierenden Elementes.
Eine genaue Berechnung der sich durch diesen Prozeß einstellenden Dotierungsprofile kann der Literatur [4.5,4.7] entnommen werden.
Eine Auswirkung der Konzentrationsabhängigkeit von D für die Herstellung von Bauelementen schlägt sich im sog. “Emitter-Push” Effekt (oder “Emitter-Dip”) nieder (Abb.8.33).
Als eine Charge wird hier eine in einem Diffusionsgang gleichzeitig verarbeitete Anzahl von Si-Scheiben verstanden.
Man bedenke dabei, welche Reinheitsgrade die Halbleitertechnologie erfordert. Ein 100 Ωcm-n-Kristall z.B. besitzt eine gezielte Verunreinigung von ca. 7. 10 cm Dotierungsatomen; dagegen kann eine sog. chemisch reine (pro-analysi-)Substanz durch-aus z.B. 1016 cm−3 Cu-Atome besitzen.
Die fast ausschließlich verwendeten gasförmigen Quellen Diboran (B2H2) und Phosphin (PH3) sind äußerst giftig und erfordern aufwendige Sicherheitsvorkehrungen.
Bei 1,5μm Diffusionstiefe ist dieser sog. Versetzungsschwarnm (“Dislocation Sponge”) etwa 0,5 μm dick.
Unter Ionendosis bzw. Dosis wird die insgesamt eingeschossene Menge von Ionen verstanden. Ihre Einheit ist l/cm2: es ist also die Menge, die sich unter 1cm2 der Oberfläche befindet (und zwar ist diese Menge in den Kristall hinein gaußverteilt ). Die Dosisleistung ist die sekundliche Menge von Ionen, die in den Kristall eingebracht werden, sie hat also die Einheit l/cm2s. Sie ist identisch mit der Stromdichte geteilt durch die Elementarladung. Aus der Ionendosis kann man die Dotierungskonzentration, also die Anzahl der Ionen pro Kubikzentimeter, berechnen, in dem man annimmt, daß das Integral über die Gaußverteilung gleich der Dosis ist.
Eine praktische Anwendung findet dieser Vorgang beim Prozeß der sog. “drive-in-diffusion”, bei dem man Implantation und Diffusion miteinander verbindet: Eine bestimmte Menge von Ionen, die man mittels der Implantation besser dosieren kann als bei der Diffusion, wird in den Kristall eingebracht (predeposition, vgl. Abschn. 5.2.2.2), wobei man bei der Implantation den großen Vorteil der Unabhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit des Kristalls besitzt. Das ursprünglich erhaltene Ionenprofil wird dann durch thermische Diffusion verbreitert, so daß die Dotieratome wesentlich tiefer in den Kristall, als mit der Implantation möglich, eindringen können.
Es sei hier erwähnt, daß in den vorhergehenden Ausführungen die Ionenimplantation als Dotiertechnologie ganz allgemein beschrieben wurde. Bei den bisher häufigsten Anwendungen findet sie nämlich nur als “Dosier”-Technologie Verwendung, z.B. bei der Absenkung der Schwell Spannung von MOS-Transistoren. Bei diesem Anwendungsfall kommt es nur darauf an, eine bestimmte, genau festgelegte Menge von Ionen an einen bestimmten Ort, nämlich in den Kanal eines MOS-Transistors zu bringen, um dort die vorhandenen Oberflächenladungen zu kompensieren. Da im allgemeinen diese Menge sehr klein ist, (1011 cm−2) spielen Probleme wie das Ausheil verhalten und auch die Verbreiterung des Profils keine Rolle. Sollen jedoch mittels der Implantation pn-Übergänge hergestellt werden, so erhalten die oben erwähnten Ausführungen bezüglich des Ausheilverhaltens des gestörten Kristallbereiches Bedeutung.
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Ruge, I. (1984). Dotiertechnologien. In: Halbleiter-Technologie. Halbleiter-Elektronik, vol 4. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-96782-5_5
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