Dotierung von Halbleitern
Ein Halbleiter ist ein Material, das unter besonderen Bedingungen leitend ist, während Metalle ständig leitfähig sind und Isolatoren elektrischen Strom nicht leiten. Typische Halbleiter sind Silicium und Germanium (4. Gruppe des PSE). Die meisten Verbindungshalbleiter gehören zu den III/V-Halbleitern, die aus einem Element der 3. Gruppe des Periodensystems (PSE) und einem Element der 5. Gruppe bestehen wie Galliumarsenid GaAs oder Indiumphosphid InP. II/VI-Verbindungshalbleiter bestehen aus einem Element der 2. und einem Element der 6. Gruppe des PSE wie Cadmiumsulfid CdS. Um die Leitfähigkeit des Halbleiters einzustellen werden kleine Mengen von Fremdatomen oder Dotierstoffen eingebracht, die entweder ein Außenelektron mehr oder weniger haben als das Grundmaterial. Auf diese Art und Weise werden entweder überschüssige Elektronen eingebracht und das Material wird negative n-leitend, oder es fehlen Elektronen. Die gebildeten Löcher führen zu positiver p-Leitung. Silicium ist das gebräuchlichste Halbleitermaterial. Es wird meist mit Phosphor dotiert um n-Leitung zu erzeugen oder mit Bor um das Material p-leitend zu machen.
Dotierung im Ionenimplanter
Das Halbleitermaterial wird durch den Beschuss mit Ionen in einem Ionenimplanter dotiert. Die Eindringtiefe der Dotierstoffe hängt von der Beschleunigung im Ionenimplanter ab. Nach der Implantation ist ein Aktivierungs- bzw. Temperschritt erforderlich. Hierfür werden Diffusionsöfen eingesetzt.
Dotierung im Ofen
Dotierung kann erreicht werden durch die Verwendung fester Dotierstoffe (Dotierwafer), durch flüssige Dotierstoffe wie z. B. TMB (Trimethoxyboran, Trimethylborat, (CH3O)3B) oder TMP (Trimethoxyphosphin, Trimethylphosphit, (CH3O)3P) oder Phosphoroxychlorid POCl3 und durch Dotiergase wie Boran BH3, Phosphan PH3. POCl3, TMB und TMP haben sich weitgehend durchgesetzt. Die Vorteile dieser flüssigen Dotierstoffe sind die einfache Handhabung und das geringe gesundheitliche Risiko für das Bedienpersonal, sowie die hohe Reinheit dieser Produkte. Sie werden als flüssiges Dotiermittel in einem Bubbler bereitgestellt. Stickstoff streicht bei definierter Temperatur durch die Flüssigkeit und wird mit Dotiermittel angereichert. Typische Dotiertemperaturen liegen bei 800 - 900°C. Durch Temperschritte können Dotierstoffe im Silicium aktiviert und diffundiert werden.
Aktivierung und Diffusion der Dotierstoffe
Nach der Dotierung im Ionenimplanter sind die Dotierstoffe teilweise noch nicht elektrisch aktiv. Durch einen Temperaturschritt kann die Aktivierung erfolgen. Bei längerer Temperung der Halbleiterscheiben bei erhöhter Temperatur diffundieren die Dotierstoffe im Material und sorgen für eine größere Tiefenverteilung. Im Diffusionsofen wird ein Dotierprofil eingestellt.
