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Dopage des Semi‑conducteurs

Un semi‑conducteur est un matériau qui devient conducteur dans des conditions particulières, alors que les métaux sont continuellement conducteurs et les isolants ne conduisent pas le courant électrique. Les semi‑conducteurs typiques sont le silicium et le germanium (groupe 14 du tableau périodique). La plupart des semi‑conducteurs composés appartiennent aux familles III/V, composées d’un élément du groupe 13 et d’un élément du groupe 15, comme l’arséniure de gallium (GaAs) ou le phosphure d’indium (InP). Les semi‑conducteurs II/VI comprennent un élément du groupe 12 et un élément du groupe 16, p. ex. le sulfure de cadmium (CdS). Pour régler la conductivité, on introduit de petites quantités d’atomes étrangers ou de dopants qui ont soit un électron de valence en plus soit en moins par rapport au matériau hôte. Ainsi on introduit des électrons en excès et le matériau devient de type n, ou des électrons manquent et les trous conduisent en type p. Le silicium est le matériau semi‑conducteur le plus répandu. Il est généralement dopé au phosphore pour obtenir du type n ou au bore pour obtenir du type p.

Dopage dans l'Implanteur d'Ions

Le matériau semi‑conducteur est dopé par bombardement d’ions dans un implanteur d’ions. La profondeur de pénétration des dopants dépend de l’accélération utilisée dans l’implanteur. Après l’implantation, une étape d’activation ou de recuit est nécessaire. On utilise des fours de diffusion pour cette opération.

Dopage en Four

Le dopage peut être réalisé à l’aide de sources solides de dopant (plaquettes dopantes), de dopants liquides tels que TMB (triméthoxyborane, triméthylborate, (CH₃O)₃B) ou TMP (triméthoxyphosphite, triméthylphosphite, (CH₃O)₃P) ou du oxychlorure de phosphore POCl₃, et par des gaz dopants comme le diborane ou le phosphine (PH₃). POCl₃, TMB et TMP sont largement utilisés. Les avantages de ces dopants liquides sont leur manipulation facile, le risque sanitaire réduit pour le personnel et la grande pureté de ces produits. Ils sont fournis sous forme liquide dans un bubbler. De l’azote est fait passer à travers le liquide à une température définie et s’enrichit en dopant. Les températures typiques de dopage se situent entre 800 et 900 °C. Des étapes de recuit peuvent activer les dopants et permettre leur diffusion dans le silicium.

Activation et Diffusion des Dopants

Après l’implantation ionique, les dopants ne sont souvent pas encore électriquement actifs. Une étape de recuit à haute température peut les activer. Lors de recuits prolongés à température élevée, les dopants diffusent dans le matériau et produisent une distribution plus profonde. Le four de diffusion est utilisé pour définir le profil de dopage.

Tant pour le dopage en four que pour l’activation et la diffusion des dopants, des fours verticaux sont aujourd’hui utilisés dans la fabrication de circuits intégrés. Ils existent en différentes tailles et versions, autant pour la recherche et le développement (VF1000) que pour la production de masse (VF5100/VF5300 ou VF5700/VF5900). Les fours verticaux JTEKT (anciennement Koyo Thermo Systems) sont équipés d’un élément chauffant LGO économique (LGO heating element).

Le dopage s’effectue soit par l’application d’un verre dopant, p. ex. par un procédé de sérigraphie puis diffusion dans un four à convoyeur ou dans des fours tubulaires avec POCl₃. Le dopage par verre dopant est simple et peut être réalisé en continu dans des fours à bande. Cependant, il nécessite globalement deux étapes de procédé supplémentaires par rapport au dopage au POCl₃, car la couche dopante doit être appliquée puis retirée. Si le dopage au POCl₃ est choisi, pour des raisons de coût et en raison des faibles exigences du procédé, on utilise principalement des fours horizontaux de diffusion (horizontal diffusion furnaces).