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Dopado de Semiconductores

Un semiconductor es un material que se vuelve conductor en condiciones especiales, mientras que los metales son siempre conductores y los aislantes no conducen corriente eléctrica. Los semiconductores típicos son el silicio y el germanio (grupo 14 de la tabla periódica). La mayoría de los semiconductores compuestos pertenecen al grupo III/V, formados por un elemento del grupo 13 y uno del grupo 15, como arsenuro de galio (GaAs) o fósfuro de indio (InP). Los semiconductores II/VI están formados por un elemento del grupo 12 y uno del grupo 16, p. ej. sulfuro de cadmio (CdS). Para ajustar la conductividad se introducen pequeñas cantidades de átomos extraños o dopantes que tienen un electrón más o menos que el material base. De este modo se introducen electrones en exceso y el material se convierte en tipo n, o faltan electrones y los huecos producen conducción tipo p. El silicio es el material semiconductor más usado. Se dopa normalmente con fósforo para obtener conducción n o con boro para obtener conducción p.

Dopado en el Implantador de Iones

El material semiconductor se dopa mediante el bombardeo con iones en un implantador de iones. La profundidad de penetración de los dopantes depende de la aceleración en el implantador. Tras la implantación es necesario un paso de activación o recocido. Para ello se emplean hornos de difusión.

Dopado en el Horno

El dopado puede lograrse mediante fuentes sólidas de dopante (obleas de dopado), mediante dopantes líquidos como TMB (trimetoxiboran, trimetilborato, (CH₃O)₃B) o TMP (trimetoxifosfito, trimetilfosfito, (CH₃O)₃P) o cloruro de oxifósforo POCl₃, y mediante gases dopantes como diborano o fosfina (PH₃). POCl₃, TMB y TMP están muy extendidos. Las ventajas de estos dopantes líquidos son su manejo sencillo, el menor riesgo sanitario para el personal y la alta pureza del producto. Se suministran como líquido en un bubbler. Nitrógeno pasa a través del líquido a una temperatura definida y se enriquece con el dopante. Las temperaturas típicas de dopado están entre 800 y 900 °C. Mediante pasos de recocido se pueden activar los dopantes y permitir su difusión en el silicio.

Activación y Difusión de los Dopantes

Después de la implantación iónica, los dopantes a menudo no son aún eléctricamente activos. Un paso de recocido a temperatura elevada puede activarlos. Durante recocidos prolongados a temperatura elevada los dopantes se difunden en el material y producen una distribución más profunda. El horno de difusión se utiliza para ajustar el perfil de dopado.

Tanto para el dopado en horno como para la activación y difusión de dopantes se usan hoy hornos verticales en la fabricación de circuitos integrados. Están disponibles en distintos tamaños y versiones, tanto para investigación y desarrollo (VF1000) como para producción en masa (VF5100/VF5300 o VF5700/VF5900). Los hornos verticales JTEKT (antes Koyo Thermo Systems) están equipados con un elemento calefactor LGO que reduce costes (LGO heating element).

El dopado se realiza aplicando un vidrio dopante, p. ej. mediante serigrafía y posterior difusión en un horno continuo o en hornos tubulares con POCl₃. El dopado mediante vidrio dopante es sencillo y puede realizarse de forma continua en hornos de banda. Sin embargo, requiere en total dos pasos de proceso adicionales en comparación con el dopado con POCl₃, ya que la capa dopante debe aplicarse y luego retirarse. Cuando se utiliza POCl₃, por motivos de coste y por las bajas exigencias del proceso se emplean principalmente hornos horizontales de difusión (horizontal diffusion furnaces).