Dopantdiffusie

Dopantdiffusie is het proces waarbij dopantatomen in een kristallijne host, meestal silicium, bewegen en zich verspreiden onder invloed van temperatuur en kristaldefecten. Het bepaalt dopingsprofielen die cruciaal zijn voor de werking van halfgeleiders, zoals transistors en diodes. Diffusie vindt plaats via meerdere mechanismen: substitutiële diffusie via vacancies, interstitiële diffusie via interstitiële posities en diffusie via dopant-vacature paren. Welke route overheerst hangt af van het dopanttype en de verwerkingcondities. In silicium diffunderen dopanten zoals boor (B) voor p-type en fosfor (P), arsen (As) en antimon (Sb) voor n-type via vacancy- of interstitiële mechanismen; bij hoge temperaturen en defecten kan de dominante route wisselen en kan transiënt verhoogde diffusie (TED) optreden na implantatie en annealing.

De snelheid van diffusie wordt beschreven door de diffusiviteit D, die temperatuurafhankelijk is volgens een Arrhenius-relatie D = D0 exp(-Ea/kT). D0 is de voorwaarde en Ea de activatie-energie; beide zijn dopantspecifiek. Diffusie bepaalt onder andere de diepte van junctions en de vorm van het dopingsprofiel. In de fabricage wordt diffusie vaak toegepast in combinatie met implantatie, bijvoorbeeld door diffusion (drive-in) vanuit een dopantbron of door diffusi e from een dopingsbron. De karakteristieke diffussieafstand is ongeveer L ≈ sqrt(Dt).

Profielen worden doorgaans gemeten met technieken zoals Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). Diffusie speelt een centrale rol bij het ontwerp van contact-, schuine en diepe junctions en bij het beperken van ongewenste TED tijdens de productie van moderne geïntegreerde schakelingen.