Proceso de Difusión para el Dopado de Silicio en la Fabricación de Circuitos Integrados

Transcripción

1 Proceso de Difusión para el Dopado de Silicio en la Fabricación de Circuitos Integrados Oscar Sosa, Cód.:261826, Ferney Molina, Cód.:261786, y Carlos Barreto, Cód.: (oasosap, fsmolinas, Universidad Nacional de Colombia Mayo 22, Proceso de dopado Como es bien conocido, los circuitos integrados utilizan materiales semiconductores dopados que permiten la construcción de diversos dispositivos utilizados ampliamente en los sistemas digitales. La adición de átomos dopantes en el silicio generalmente se lleva a cabo en dos pasos. El primero consiste en colocar átomos dopantes sobre o cerca a la superficie de la oblea de silicio (proceso de predeposición) por medio de alguno de los siguientes métodos: Implantación iónica Dopado en fase sólida Dopado en fase gaseosa El próximo paso consiste en la difusión de profundización o drive-in de manera intencional o no intencional la cual tranporta los átomos dopantes adentrándolos en el sustrato de silicio. 2. Proceso de difusión (drive-in) En la figura 1 se ilustra el proceso básico de difusión. A alta temperatura, las impurezas dopantes penetran a medida que pasa el tiempo. Si el dopante es del tipo opuesto al sustrato, como se muestra en la figura 1, el límite donde N a = N d (límite en el que la concentración de átomos aceptores es igual a la concentración de átomos donores) puede ser representado por medio de una línea. Aquí se forma una unión PN donde el ancho de la capa de difusión se conoce como profundidad de la juntura. Para algunas aplicaciones, es deseable tener junturas bastante profundas. Para otras aplicaciones importantes, es Figura 1: Proceso básico de difusión. Tomada de [1] 1

2 Figura 2: Ilustración de la primera ley de Fick. Tomada de [2]. deseable tener un juntura que sea muy superficial. Uno de los posibles efectos indeseables en la prenetración excesiva de dopantes. Dado que el grado de profundidad de las impurezas influye es un factor crucial para las diversas aplicaciones, es muy importante controlar el proceso de difusión [1] Leyes de Fick Las ecuaciones que gobiernan los procesos de difusión se conocen como Leyes de Fick. Las leyes de Fick se constituyen como una explicación macroscópica ya que describen el transporte difusivo de materia como un hecho empírico general sin indicar que los procesos de difusión se derivan de conceptos básicos como el movimiento de los átomos [2] Primera ley de Fick Esta ley indica que el flujo de difusión es proporcional al gradiente de concentración espacial. Esto se expresa mediante la ecuación (1) donde F = D C (1) F : Flujo de difusión o flujo de particulas [ atomos cm 2 s ] D : Difusividad o coeficiente de difusión del material [ cm2 s ] C : Gradiente de concentración de partículas El signo menos de la ecuación (1) indica que la dirección del flujo de partículas es contraria al gradiente de concentración. Esto significa que las partículas se mueven desde las zonas de mayor concentración hacía las zonas de menor concentración. En una dimensión, la ecuación (1) se puede reescribir como se muestra en la ecuación (2). Esta ecuación se ilustra en la figura 4. F = D C x (2) 2

3 Figura 3: Flujo entrante y saliente de un elemento de volumen Segunda ley de Fick Esta ley indica que el incremento con el tiempo de la concentración de una sección transversal de área unitaria es simplemente la diferencia entre el flujo de entrada a un volumen y el flujo de salida del volumen. Esta ley se ilustra en la figura 3 y viene dada por (3). En otras palabras, la segunda ley de Fick predice cómo la difusión causa que la concentración cambie con el tiempo [2]. C = (D C) (3) t Si la difusividad D es constante, como en un material isotrópico y en el que los dopantes no reaccionan químicamente con el sustrato, la ecuación (3) se puede reescribir como se muestra en la ecuación (4) 3. Otros aspectos del proceso de difusión C t = D 2 C x 2 (4) Las ecuaciones de Fick son importantes para describir los procesos de difusión. Adicionalmente, de acuerdo con [1] se puede mostrar que la concentración de impurezas dentro de un semiconductor está relacionada con la posición y el tiempo mediante la relación gausiana que se muestra en la ecuación (5) [1] cuando la fuente de impurezas no está presente. N(x, t) = N 0 πdt e x2 /4Dt (5) donde N 0 : número de dopantes por centímetro cuadrado determinado en el paso de adición de dopantes x : profundidad de penetración o ancho de la juntura medidad desde la superficie del semiconductor N(x, t) : concentración de impurezas a una profundidad x después de un tiempo t En la figura?? se muestra la forma gráfica que tiene la ecuación (5). Es importante resaltar que la difusividad D aumenta a medidad que la temperatura se incrementa. En la figura 5 se ilustra este comportamiento para algunos dopantes comunes del silicio [1]. La introducción de impurezas con concentraciones controladas se llevan a cabo en un horno de difusión a unos 1000 c ircc durante 1 ó 2 horas. Un horno de difusión aloja normalmente 20 obleas en un soporte de cuarzo dentro de un tubo también de cuarzo. La temperatura debe regularse cuidadosamente de forma 3

4 Figura 4: Concentración de dopado en función de la profundidad y su evolución en el tiempo. Figura 5: Difusividad versus 1/T para el Sb, As, B y P en el silicio. Tomada de [1]. 4

5 Figura 6: Perfil típico de impurezas en un transistor. que sea uniforme en toda la zona. Como ya se ha mencionado, las fuentes de impurezas pueden ser gases, líquidos o sólidos puestos en contacto con las superficies de silicio en el interior del horno. Como impurezas gaseosas generalmente se utilizan Hidruros de Boro, Arsénico, y Fósforo. Un gas inerte conduce los átomos de impurezas hasta la superficie de las obleas desde donde se difunde en el silicio. En un transistor bipolar BJT se emplean dos difusiones de impurezas. Para un dispositivo npn la primera es la difusión de la base tipo p en el colector recrecido epitaxialmente de tipo n. Y la segunda es la región emisor de tipo n en la base tipo p. La figura 6 representa el perfil de impurezas típico de un transistor monolítico npn con doble difusión. La concentración NBC en colector epitaxial esta representada por la línea de trazos de la figura 6. La concentración N de Boro es alta 5x1018 atomos/cm3 en la superficie y va decreciendo dentro del silicio como puede verse en la figura. A la distancia x = xj en la que N se iguala a NBC la densidad neta de impurezas es nula. Para x xj la concentración neta de impurezas es positiva, y si x xj será negativa. Por tanto xj es la distancia desde la superficie a la que se forma la unión de colector. Para el transistor cuyo perfil de impurezas es el de la figura 6, xj = 2,7 µm. La difusión de emisor Fósforo parte con una concentración superficial mucho más alta, próxima a la solubilidad sólida de unos 1021 atomos/cm3 y penetra hasta 2µm en donde se forma la unión de emisor. Puede verse que el espesor de la base de este transistor monolítico es de 0,7 µm. Normalmente se trata la unión emisor-base como abrupta, mientras que la de base-colector se considera como linealmente gradual debido a la variación más lenta de la concentración en función de la distancia. Referencias [1] Chenming Calvin Hu Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, Disponible en linea en: hu/book-chapters-and-lecture-slides-download.html Consultado el 22 de mayo de [2] Helmut Mehrer, Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes, Editorial Springer, Berlin,