Drogaggio del silicio

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Data:	02.07.2007
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Drogaggio del Silicio

Esistono varie tecniche di drogaggio del silicio. In questa breve dispensa analizzeremo la tecnica della diffusione termica e dell’impiantazione ionica.

DIFFUSIONE TERMICA
Il drogaggio per diffusione termica sfrutta il fenomeno che si verifica nel silicio ad elevate temperature (1000 s 1200 °C). Alcuni atomi del semiconduttore, per agitazione termica, abbandonano la loro posizione nel reticolo cristallino generando le cosiddette “vacanze” (vuoti). In tal modo, gli atomi delle sostanze droganti possono occupare le posizioni libere sostituendosi agli originari atomi del semiconduttore.
Possiamo affermare, quindi, che nel processo di drogaggio per diffusione vi è la migrazione all’interno del semiconduttore di atomi droganti che ovviamente per differenza di concentrazione si spostano da zone dove sono presenti in concentrazione elevata a zone dove sono presenti in bassa concentrazione.

Vi sono due tipologie di diffusione termica:
• Diffusione a sorgente illimitata;
• Diffusione a sorgente limitata.

Nel processo di diffusione a sorgente illimitata la superficie del wafer del semiconduttore viene esposta ad una sorgente estesa di sostanze droganti. In questa tipologia di diffusione la sorgente è in grado di mantenere costante nel tempo la concentrazione delle impurezze sulla superficie del semiconduttore. Il tutto avviene in un forno a diffusione a temperatura superiore ai 1000 °C per una durata che varia dalla decina di minuti ad una o più ore a seconda dell’intensità di drogaggio che si vuole applicare.
Osservando il grafico si può notare che nel tempo t1 e t2 la concentrazione delle impurezze sulla superficie del semiconduttore è costante, mentre nel tempo t2 (t2 2 t1) si incrementa la concentrazione di impurezze all’interno del wafer. Supponendo di esporre il semiconduttore ad un drogaggio per sorgente illimitata di tempo infinito si dovrebbe raggiungere un grado di concentrazione uguale sia sulla superficie del wafer che all’interno e quindi una schematizzazione grafica pressoché orizzontale. Maggiore è, quindi, il tempo di esposizione del semiconduttore al processo, maggiore è l’incremento di sostanze droganti all’interno del wafer. Tuttavia, è impossibile avere un grado di concentrazione costante nel dominio della lunghezza nel semiconduttore, poiché per proprietà chimiche la concentrazione in superficie sarà sempre maggiore (anche in quantità minima) rispetto a quella in profondità.

Il processo di diffusione a sorgente limitata viene preceduto da una diffusione a sorgente illimitata di breve durata, la quale introduce nel semiconduttore in prossimità della superficie, una quantità prestabilita di impurezze.
Segue un processo di diffusione a sorgente limitata che avviene in un forno alla temperatura di circa 1200 °C ed in presenza di atmosfera ossidante. Si viene a creare, così, uno strato di ossido sulla superficie del wafer che impedisce la fuoriuscita degli atomi droganti, i quali, sempre per differenza di concentrazione, migrano verso l’interno.
Osservando il grafico si può notare che nel tempo t2 la concentrazione in superficie diminuisce mentre aumenta quella in profondità. Col trascorrere del tempo ci si avvierà ad una rappresentazione grafica dei profili di concentrazione pressoché orizzontale ma sempre orientata lievemente verso il basso, poiché è sempre valido il principio secondo cui, la concentrazione in superficie è sempre maggiore rispetto a quella in profondità.

La differenza principale, quindi, tra diffusione a sorgente limitata e diffusione a sorgente illimitata, è quella che nella prima la concentrazione in superficie non rimane costante al variare del tempo.

IMPIANTAZIONE IONICA
Questo processo di drogaggio consente di introdurre impurezze all’interno del semiconduttore mediante bombardamento a temperatura ordinaria di ioni droganti.
Successivamente, questi, vengono accelerati e focalizzati in un fascio sottile e fatti incidere contro la superficie del semiconduttore, nel quale penetrano per una certa profondità che dipende dall’energia di accelerazione e dalla concentrazione di ioni che in ogni caso non supera la decina di μm. Tale tecnica è utilizzata quando sono richieste zone strette e sottili.
Dopo l’impiantazione il reticolo cristallino risulta danneggiato. E’ necessario, allora, che esso venga sottoposto ricottura che può avvenire attraverso un processo termico come un’ossidazione o una diffusione.

I vantaggi dell’impiantazione ionica sono moltecipli:
• Bassa temperatura di processo;
• Possibilità di controllare con precisione i profili di concentrazione variando opportunamente l’intensità del fascio;
• Possibilità di ottenere particolari strutture geometriche non realizzabili con le altre tecniche.