Eine Dotierung oder das Dotieren (von ‚ausstatten‘) bezeichnet in der Halbleitertechnik das Einbringen von Fremdatomen in eine Schicht oder in das Grundmaterial eines integrierten Schaltkreises. Die bei diesem Vorgang eingebrachte Menge ist dabei sehr klein im Vergleich zum Trägermaterial (zwischen 0,1 und 100 ppm). Die Fremdatome sind Störstellen im Halbleitermaterial und verändern gezielt die Eigenschaften des Ausgangsmaterials, d. h. das Verhalten der Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit. Dabei kann bereits eine geringfügige Fremdatomdichte eine sehr große Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bewirken.
Auch in anderen Bereichen der Materialwissenschaft wird der Begriff Dotierung in diesem Sinn gebraucht, z. B. allgemein bei stark verdünnten festen Lösungen (z. B. Lasermedien) oder der Dotierung von Salzen. In diesen Fällen wird die gezielte Dotierung durch eine eigene Schreibweise mit dem Doppelpunkt gekennzeichnet, beispielsweise ist die dotierte Verbindung La2O3:Eu (Europium-dotiertes Lanthanoxid) durch die Zusammensetzung La2−xEuxO3 (typischerweise mit x < 0,1) charakterisiert. Weitere Beispiele sind Al2O3:Cr (Chrom-dotiertes Aluminiumoxid = Chromaluminiumoxide) oder In2O3:Sn (Zinn-dotiertes Indiumoxid = Indiumzinnoxid, kurz ITO). Allerdings gibt es andere Schreibweisen, bei denen der Dotierstoff vorangestellt wird, so wird beim Lasermedium Neodym-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat häufig als Nd:YAG statt YAG:Nd dargestellt.
Es gibt verschiedene Dotierungsverfahren, z. B. Diffusion, Elektrophorese, Resublimation oder Beschuss mittels hochenergetischen Teilchenkanonen unter Vakuum (Ionenimplantation).
Anorganische Halbleiter Hintergrund Soll die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern geändert werden, dann wird zwischen p- und n-Dotierung unterschieden. Bei der p-Dotierung werden Fremdatome implantiert, die als Elektronen-Akzeptoren dienen. Bei der n-Dotierung werden hingegen Elektronen-Donatoren implantiert. Für die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei gängigen Halbleiterbauelementen aus Silicium oder Germanium (der vierten Hauptgruppe) kommen für p-Gebiete die Elemente aus der dritten Hauptgruppe wie beispielsweise Bor, Indium, Aluminium oder Gallium und für n-Gebiete die Elemente aus der fünften Hauptgruppe wie beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon zum Einsatz.
Der III-V-Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) wird beispielsweise mit Elementen wie Kohlenstoff positiv dotiert und Tellur negativ dotiert.
Eine andere in der Mikroelektronik häufig genutzte Anwendung ist das Dotieren von Siliciumdioxid mit Bor oder Phosphor. Das entstehende Borphosphorsilikatglas (BPSG) hat einen um 600 bis 700 Kelvin niedrigeren Schmelzpunkt als Siliciumdioxid. Dadurch eignet sich BPSG beispielsweise für die Planarisierung der Waferoberfläche mit Hilfe eines Reflow-Prozesses.
Beispiel Silicium
Am Beispiel von Silicium, dem meistverwendeten Basismaterial für Halbleiterbauelemente, soll nachfolgend kurz beschrieben werden, was unter n- und p-Dotierung (negativ- bzw. positiv-Dotierung) verstanden wird.
Ein Siliciumeinkristall besteht aus vierwertigen Siliciumatomen. Die vier Valenzelektronen (Außenelektronen) eines jeden Siliciumatoms bauen vier kovalente Bindungen zu seinen Nachbaratomen auf und bilden dadurch die Kristallstruktur; dies macht alle vier Elektronen zu Bindungselektronen.
Bei der n-Dotierung (n für die freibewegliche negative Ladung, die dadurch eingebracht wird) werden fünfwertige Elemente, die sogenannten Donatoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein fünfwertiges Element hat fünf Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung, sodass beim Austausch eines Siliciumatoms durch ein Fremdatom im Kristall ein Außenelektron des Donators (quasi) frei beweglich zur Verfügung steht (eigentlich in einem Energieniveau dicht unterhalb des Leitungsbandes gebunden). Das Elektron bewegt sich beim Anlegen einer Spannung, diese Bewegung stellt einen Strom dar. An der Stelle des Donator-Atoms entsteht eine ortsfeste positive Ladung, der eine negative Ladung des freibeweglichen Elektrons gegenübersteht.
Bei der p-Dotierung (p für die freibewegliche positive Lücke, auch Loch oder Defektelektron genannt, die dadurch eingebracht wird) werden dreiwertige Elemente, die sogenannten Akzeptoren, in das Siliciumgitter eingebracht und ersetzen dafür vierwertige Silicium-Atome. Ein dreiwertiges Element hat drei Außenelektronen für kovalente Bindungen zur Verfügung. Für die vierte fehlt im Siliciumkristall ein Außenelektron. Diese Elektronenfehlstelle wird als „Loch“ oder Defektelektron bezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung verhält sich dieses Loch wie ein frei beweglicher positiver Ladungsträger (im Valenzband), es bewegt sich – analog zum negativ geladenen Elektron –, diese Bewegung stellt einen Strom dar. Dabei springt ein Elektron – angetrieben durch das äußere Feld – aus einer kovalenten Bindung heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch. An der Stelle des Akzeptor-Atoms entsteht eine ortsfeste negative Ladung, der eine positive Ladung des freibeweglichen Loches gegenübersteht.
Die Bewegungsrichtung der Löcher verhält sich dabei entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung der Elektronen und somit in Richtung der technischen Stromrichtung.
Eine genauere Beschreibung der elektrischen Effekte erfolgt durch das Bändermodell.
Dotierungsstärke In der Elektronik benötigt man Dotierungen mit unterschiedlichem Dotierungsgrad. Man unterscheidet hierbei starke Dotierung (n+; p+), mittlere Dotierung (n; p) und schwache Dotierung (n−, p−)
+ Typische Dotierungsbereiche von Halbleitern (Bezeichnung und Konzentration gegenüber Basismaterial) Symbol Verhältnisse in Si Verhältnisse in GaAs n− p− n 1 Donator/107 Atome p 1 Akzeptor/106 Atome n+ 1 Donator/104 Atome 1 Donator/104 Atome p+ 1 Akzeptor/104 Atome n++ p++ 1 Akzeptor/103 Atome
p-n-Übergang, Bauteile Durch räumlich benachbarte unterschiedliche Dotierungsbereiche im Halbleiter kann so beispielsweise ein p-n-Übergang mit einer Raumladungszone gebildet werden, welcher bei herkömmlichen Dioden eine gleichrichtende Wirkung zeigt. Durch komplexe Anordnungen von mehreren p-n-Übergängen können komplexe Bauelemente wie beispielsweise Bipolartransistoren in npn- oder pnp-Bauweise gebildet werden. Die Bezeichnungen npn oder pnp bei Bipolartransistoren bezeichnen die Abfolge der unterschiedlichen Dotierungsschichten. Mit vier oder mehr Dotierungsschichten werden unter anderem Thyristoren bzw. Triacs gebildet.
Organische Halbleiter Ähnlich wie bei anorganischen Halbleiterkristallen können auch die elektrischen Eigenschaften von elektrisch leitfähigen Polymeren, wie Polyanilin (PANI), und organischen Halbleitern durch Dotierung verändert werden. Durch Substitution von Kohlenstoffatomen in der Kettenstruktur des Polymers ändern sich die Bindungslängen. Auf diese Weise entstehen Zwischenenergieniveaus in den Energiebändern des Moleküls beziehungsweise des Halbleiters insgesamt, sogenannte Polaronen oder Bipolaronen. Analog zu anorganischen Halbleitern wird die Dotierung in zwei Gruppen eingeteilt: Oxidationsreaktion (p-Dotierung) und Reduktionsreaktion (n-Dotierung).
Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern bewegt sich die Dotierungskonzentration in organischen Halbleitern bis in den Prozentbereich. Durch eine solch hohe Dotierung werden allerdings nicht nur die elektrischen, sondern auch alle anderen Eigenschaften des Materials verändert.
Dotierverfahren
Zur Dotierung von Halbleitern können prinzipiell vier Verfahren bzw. Techniken für das Einbringen von Fremdatomen in ein Material unterschieden werden: Legierung, Diffusion, Ionenimplantation und Neutronen-Transmutationsdotierung, d. h. Dotierung durch Kernumwandlung.
Darüber hinaus gibt es auch Techniken (unterschiedlich) dotierte Bereiche bereits während der Abscheidung eine Schicht (per chemische Gasphasenabscheidung oder Epitaxie) bzw. des Kristallwachstums zu erzeugen.
Bei der Herstellung von Halbleiterprodukten können diese Techniken je nach Anwendung alternativ oder sich ergänzend genutzt werden. So können die unterschiedlich dotierten Bereiche von Bipolartransistoren sowohl mittels Diffusion, Legierung oder auch durch Ionenimplantation hergestellt werden. Die Wahl der entsprechenden Technik hängt dabei von verschiedenen Anforderungen und Rahmenbedingungen ab, z. B. Prozesskontrolle, thermisches Budget im Gesamtprozess, verfügbare Anlagen, Kontamiationsreduzierung oder schlicht den Kosten.
Dotieren mittels Legierung Die Legierungstechnik ist die älteste Methode zur Dotierung von Halbleitern in der Halbleitertechnik. Sie basiert auf der kontrollierten partiellen Auflösung des Halbleiters durch Bildung einer oberflächlichen Metall-Halbleiter-Schmelze und anschließender Rekristallisation.
In einem ersten Schritt wird die Dotierstoffquelle auf das Zielmaterial aufgetragen, beispielsweise durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Anschließend wird die Temperatur erhöht, dabei diffundiert ein Teil des Dotierstoffs oberflächlich in den Halbleiter und bildet beispielsweise im Fall von Aluminium in Silicium zunächst ein Metallsilicid. Es folgte eine weitere Temperaturerhöhung, bis die Oberfläche (das Silicid) anfängt zu schmelzen. Gleichzeitig diffundiert weiterer Dotierstoff in den Halbleiter ein und diese Bereiche werden ebenfalls angeschmolzen. Die Anschmelztiefe im Halbleiter wird über die Menge des abgeschiedenen Dotierstoffs und der Löslichkeit bei der Maximaltemperatur bestimmt. Dies ist von der Materialkombination abhängig und kann aus dem Phasendiagramm ermittelt werden. Die Menge des abgeschiedenen Dotierstoffs bestimmt daher die Legierungstiefe und somit die spätere Lage des entstehenden pn-Übergangs. Im letzten Schritt erfolgt das langsame Abkühlen der Schmelze, so dass sie als hochdotierte Schicht epitaktisch auf dem Halbleiter rekristallisiert. Die Dotierungskonzentration verschiebt sich entsprechend der Löslichkeitskurve im Phasendiagramm. Soll die Dotierung nicht auf dem gesamten Halbleiter erfolgen, muss die Eindiffusion des Dotierstoffs und die Bildung der Schmelze den entsprechenden Bereichen (lokal) verhindert werden. Im Materialsystem Aluminium-Silicium kann dies durch eine ausreichend dicke Siliciumdioxidschicht erreicht werden, beispielsweise durch thermische Oxidation von Silicium, einer fotolithografischen Strukturierung und anschließender Ätzung der Oxidschicht.
Die Dotierung mittels Legierung wird stark durch das Phasendiagramm des Materialsystems geprägt. Das bedeutet es können zum einen nicht beliebige Dotierstoffe in einen Halbleiter eingebracht werden, zum anderen das die Dotierungskonzentration und auch die Lage des pn-Übergangs stark beschränkt ist. Die bekanntesten Legierungssysteme sind Indiumdotierung eines Germaniumkristalls und Aluminiumdotierung in Silicium. Heutzutage wird das Verfahren bei der Volumenproduktion von Halbleiterbauelementen nicht mehr in der angewendet. Neben Prozessherausforderungen (z. B. kommt es aufgrund der Sprödigkeit von Silizium-Legierungen leicht zu Rissen im pn-Übergang) ist es auch nur schwer für heute übliche CMOS-Schaltungen anwendbar.
Dotierung durch Diffusion
Unter Diffusion wird allgemein ein thermisch aktivierter Ausgleichsprozess eines Konzentrationsunterschieds in einem Festkörper, in Flüssigkeiten oder Gasen ohne äußere Einwirkung (z. B. ein elektrisches Feld) verstanden. Bei vorhandenem Konzentrationsunterschieden können Fremdatome bei ausreichend hohen Temperaturen in einen anderen Festkörper eindringen und sich dort bewegen. Dies kann auf drei Arten geschehen: Leerstellendiffusion, d. h. durch leere Stellen im Kristallgitter Zwischengitterdiffusion, d. h. zwischen den Atomen im Kristallgitter Platzwechsel, d. h. Austausch der Gitterplätze benachbarter Atome.
Die Beschreibung von Diffusionsvorgängen in Festkörpern erfolgt mittels der fickschen Gesetze. Sie hängen von verschiedenen Faktoren ab: