Cos'è il processo di doping?

Nella produzione di altissima purezzawafer, i wafer devono raggiungere uno standard di purezza superiore al 99,999999999% per garantire le proprietà fondamentali dei semiconduttori. Paradossalmente, per ottenere la costruzione funzionale dei circuiti integrati, è necessario introdurre localmente sulla superficie dei wafer specifiche impurità attraverso processi di drogaggio. Questo perché il silicio monocristallino puro ha una concentrazione estremamente bassa di portatori liberi a temperatura ambiente. La sua conduttività è vicina a quella di un isolante, rendendo impossibile la formazione di una corrente efficace. Il processo di doping risolve questo problema regolando gli elementi droganti e la concentrazione del drogante.

Le due principali tecniche di doping:

1. La diffusione ad alta temperatura è un metodo convenzionale per il drogaggio dei semiconduttori. L'idea è quella di trattare il semiconduttore ad alta temperatura, che provoca la diffusione degli atomi di impurità dalla superficie del semiconduttore al suo interno. Poiché gli atomi delle impurità sono tipicamente più grandi degli atomi dei semiconduttori, è necessario il movimento termico degli atomi nel reticolo cristallino per aiutare queste impurità ad occupare i vuoti interstiziali. Controllando attentamente i parametri di temperatura e tempo durante il processo di diffusione, è possibile controllare efficacemente la distribuzione delle impurità in base a questa caratteristica. Questo metodo può essere utilizzato per creare giunzioni drogate profonde, come la struttura a doppio pozzo nella tecnologia CMOS.

2. L'impianto ionico è la tecnica di drogaggio principale nella produzione di semiconduttori, che presenta numerosi vantaggi, come elevata precisione di drogaggio, basse temperature di processo e pochi danni al materiale del substrato. Nello specifico, il processo di impiantazione ionica prevede la ionizzazione degli atomi di impurità per creare ioni carichi, quindi l’accelerazione di questi ioni tramite un campo elettrico ad alta intensità per formare un fascio ionico ad alta energia. La superficie del semiconduttore viene quindi colpita da questi ioni in rapido movimento, consentendo un impianto preciso con profondità di drogaggio regolabile. Questa tecnica è particolarmente utile per creare strutture di giunzione poco profonde, come le regioni di source e drain dei MOSFET, e consente un controllo ad alta precisione sulla distribuzione e concentrazione delle impurità.

Fattori legati al doping:

1. Elementi dopanti

I semiconduttori di tipo N sono formati introducendo elementi del Gruppo V (come fosforo e arsenico), mentre i semiconduttori di tipo P sono formati introducendo elementi del Gruppo III (come boro). Nel frattempo, la purezza degli elementi droganti influisce direttamente sulla qualità del materiale drogato, poiché i droganti ad elevata purezza contribuiscono a ridurre i difetti aggiuntivi.

2. Concentrazione di doping

Mentre la bassa concentrazione non è in grado di aumentare significativamente la conduttività, l'alta concentrazione tende a danneggiare il reticolo e ad aumentare il rischio di perdite.

3. Parametri di controllo del processo

L'effetto di diffusione degli atomi di impurità è influenzato dalla temperatura, dal tempo e dalle condizioni atmosferiche. Nell'impianto ionico, la profondità e l'uniformità del drogaggio sono determinate dall'energia ionica, dalla dose e dall'angolo di incidenza.

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