Dotierung durch Diffusion

//Dotierung durch Diffusion
  • Dotierung durch Diffusion

    Hierbei wird das Dotiermaterial an der Oberfläche des Halbleitersubstrats zum Beispiel durch Aufnahme aus einem umgebenden Gas zur Verfügung gestellt. In einem Diffusionsprozess, bei dem die thermische Bewegung der Atome bestehende Konzentrationsunterschiede angleicht, gelangen die Dotieratome bei hohen Temperaturen dann in die Tiefe des Materials vor. Die eingefügten Fremdstoffe können sich dabei in erster Linie über Zwischengitterplätze oder Leerstellen des Kristallgitters fortbewegen, mit geringerer Wahrscheinlichkeit aber auch durch Platzwechsel mit den Gitteratomen.
    Abb. 21: Möglichkeiten der Diffusion im Kristallgitter
    Da die Geschwindigkeit des Prozesses entscheidend durch die Temperatur beeinflusst wird, kann eine Dotierungsverteilung im heißen Zustand erzielt werden, die dann bei Raumtemperatur sozusagen „eingefroren“ ist. Die Dynamik der Diffusion ist dann nämlich derart drastisch reduziert, dass sich die Konzentrationsverteilung nur noch unwesentlich ändert. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein p-n-Übergang für eine Diode realisiert werden.

    Die Dynamik des Diffusionprozesses wird hauptsächlich von folgenden Eigenschaften beeinflusst:

    • der Temperatur
    • dem Dotiermaterial (gegenüber Phosphor, Bor und Aluminium diffundiert Arsen z.B. nur sehr langsam, so dass damit keine Tiefenstruktur hergestellt wird)
    • dem Ausbreitungsmedium
    • dem Konzentrationsgefälle des Dotiermaterials
    • dem Grad der Anreicherung mit anderen Fremdstoffen
    • dem Kristallgitter und dessen Orientierung

    Bei der sogenannten Diffusion mit unerschöpflicher Quelle, wird das Dotiermaterial an der Oberfläche kontinuierlich nachgeliefert. Das ist zum Beispiel bei umgebendem Gas mit konstantem Partialdruck des Dotierstoffes der Fall. Im Vergleich dazu wird bei der Diffusion mit erschöpflicher Quelle, eine gewisse Menge des Dotiermaterials zur Verfügung gestellt, die dann im weiteren Verlauf kontinuierlich aufgebraucht wird. Bei einer bestimmten Dotierungstiefe erreicht man mit letzterer Methode eine geringere Oberflächendotierung, was für viele Bauteile nötig ist. Dafür erzielt man zunächst in einem ersten Schritt eine oberflächennahe Dotierung, z. B. durch Ionenimplantation, die in einem nächsten Schritt bei hoher Temperatur in die Tiefe gelangt.
    In der Silizium-Technologie geschieht die Diffusion in der Regel in einem Quarzrohr, in dem die auf 800 – 1000°C geheizten Wafer den Dotierstoff aus einem umströmenden Gas aufnehmen.

    Je nachdem, auf welche Weise das Dotiermaterial (bei Silizium i.d.R. Bor bzw Phosphor) dabei in das verwendete Trägergas (z.B. Stickstoff oder Argon) aufgenommen wird, unterscheidet man:

    Gasphasendiffusion
    Diffusion aus flüssiger Quelle
    Feststoffdiffusion