Ionska implantacija je metoda dodavanja određene količine i vrste nečistoća u poluvodičke materijale kako bi se promijenila njihova električna svojstva. Količina i raspored nečistoća mogu se precizno kontrolirati.
dio 1
Zašto koristiti proces ionske implantacije
U proizvodnji energetskih poluvodičkih uređaja, tradicionalno dopiranje P/N regijesilikonske pločicemože se postići difuzijom. Međutim, konstanta difuzije atoma nečistoća usilicijev karbidje izuzetno niska, pa je nerealno postići selektivno dopiranje difuzijskim postupkom, kao što je prikazano na slici 1. S druge strane, temperaturni uvjeti ionske implantacije su niži od onih za difuzijski proces, a fleksibilnija i preciznija raspodjela dopiranja može formirati se.
Slika 1. Usporedba tehnologija dopiranja difuzijom i ionskom implantacijom u materijalima silicij karbida
dio 2
Kako postićisilicijev karbidionska implantacija
Tipična visokoenergetska oprema za ionsku implantaciju koja se koristi u procesu proizvodnje silicij karbida uglavnom se sastoji od izvora iona, plazme, aspiracijskih komponenti, analitičkih magneta, ionskih zraka, cijevi za ubrzanje, procesnih komora i diskova za skeniranje, kao što je prikazano na slici 2.
Slika 2. Shematski dijagram opreme za implantaciju visokoenergetskih iona silicijevog karbida
(Izvor: “Tehnologija proizvodnje poluvodiča”)
Implantacija SiC iona obično se provodi na visokoj temperaturi, što može minimizirati oštećenje kristalne rešetke uzrokovano ionskim bombardiranjem. Za4H-SiC pločice, proizvodnja područja N-tipa obično se postiže implantacijom iona dušika i fosfora, a proizvodnjaP-tippodručja obično se postiže implantacijom iona aluminija i iona bora.
Tablica 1. Primjer selektivnog dopiranja u proizvodnji SiC uređaja
(Izvor: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Slika 3. Usporedba višestupanjske energetske ionske implantacije i distribucije koncentracije dopinga površine vafera
(Izvor: G.Lulli, Uvod u ionsku implantaciju)
Kako bi se postigla ravnomjerna koncentracija dopinga u području ionske implantacije, inženjeri obično koriste ionsku implantaciju u više koraka kako bi prilagodili ukupnu distribuciju koncentracije u području implantacije (kao što je prikazano na slici 3); u stvarnom procesu proizvodnje, podešavanjem energije implantacije i doze implantacije ionskog implantatora, koncentracija dopinga i dubina dopinga područja ionske implantacije mogu se kontrolirati, kao što je prikazano na slici 4. (a) i (b); ionski implantator izvodi ravnomjernu ionsku implantaciju na površinu pločice skeniranjem površine pločice više puta tijekom rada, kao što je prikazano na slici 4. (c).
(c) Putanja kretanja ionskog implantatora tijekom ionske implantacije
Slika 4 Tijekom procesa ionske implantacije, koncentracija nečistoće i dubina se kontroliraju podešavanjem energije i doze ionske implantacije
III
Proces aktivacijskog žarenja za implantaciju iona silicij karbida
Koncentracija, područje distribucije, brzina aktivacije, defekti u tijelu i na površini ionske implantacije glavni su parametri procesa ionske implantacije. Mnogo je čimbenika koji utječu na rezultate ovih parametara, uključujući implantacijsku dozu, energiju, kristalnu orijentaciju materijala, temperaturu implantacije, temperaturu žarenja, vrijeme žarenja, okolinu itd. Za razliku od implantacijskog dopinga silicijevim ionima, još uvijek je teško potpuno ionizirati nečistoće silicijevog karbida nakon dopiranja ionskom implantacijom. Uzimajući za primjer brzinu ionizacije akceptora aluminija u neutralnom području 4H-SiC, pri koncentraciji dopinga od 1×1017 cm-3, stopa ionizacije akceptora je samo oko 15% na sobnoj temperaturi (obično je stopa ionizacije silicija približno 100%). Kako bi se postigao cilj visoke stope aktivacije i manje defekata, nakon ionske implantacije koristit će se proces žarenja na visokoj temperaturi za rekristalizaciju amorfnih defekata nastalih tijekom implantacije, tako da implantirani atomi uđu na mjesto supstitucije i aktiviraju se, kao što je prikazano na slici 5. Trenutno je ljudsko razumijevanje mehanizma procesa žarenja još uvijek ograničeno. Kontrola i dubinsko razumijevanje procesa žarenja jedan je od fokusa istraživanja ionske implantacije u budućnosti.
Slika 5 Shematski dijagram promjene rasporeda atoma na površini područja implantacije iona silicij karbida prije i nakon žarenja ionske implantacije, gdje je Vsipredstavlja prazna mjesta silicija, VCpredstavlja slobodna mjesta ugljika, Cipredstavlja atome punjenja ugljika, a Siipredstavlja atome punjenja silicija
Ionsko aktivacijsko žarenje općenito uključuje žarenje u peći, brzo žarenje i lasersko žarenje. Zbog sublimacije Si atoma u SiC materijalima, temperatura žarenja općenito ne prelazi 1800 ℃; atmosfera žarenja općenito se provodi u inertnom plinu ili vakuumu. Različiti ioni uzrokuju različite defektne centre u SiC i zahtijevaju različite temperature žarenja. Iz većine eksperimentalnih rezultata može se zaključiti da što je viša temperatura žarenja, to je veća stopa aktivacije (kao što je prikazano na slici 6).
Slika 6 Učinak temperature žarenja na brzinu električne aktivacije implantacije dušika ili fosfora u SiC (na sobnoj temperaturi)
(Ukupna doza implantacije 1×1014cm-2)
(Izvor: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Obično korišteni proces aktivacijskog žarenja nakon implantacije SiC iona provodi se u Ar atmosferi na 1600 ℃ ~ 1700 ℃ kako bi se rekristalizirala SiC površina i aktivirao dopant, čime se poboljšava vodljivost dopiranog područja; prije žarenja, sloj ugljičnog filma može se presvući na površinu pločice za zaštitu površine kako bi se smanjila degradacija površine uzrokovana desorpcijom Si i površinskom migracijom atoma, kao što je prikazano na slici 7; nakon žarenja, ugljični film se može ukloniti oksidacijom ili korozijom.
Slika 7. Usporedba hrapavosti površine pločica 4H-SiC sa ili bez zaštite od karbonskog filma na temperaturi žarenja od 1800 ℃
(Izvor: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Utjecaj implantacije SiC iona i procesa aktivacijskog žarenja
Ionska implantacija i naknadno aktivacijsko žarenje neizbježno će proizvesti nedostatke koji smanjuju performanse uređaja: složene točkaste nedostatke, greške slaganja (kao što je prikazano na slici 8), nove dislokacije, plitke ili duboke defekte energetske razine, dislokacijske petlje u bazalnoj ravnini i kretanje postojećih dislokacija. Budući da će proces bombardiranja visokoenergetskim ionima uzrokovati stres na SiC pločici, proces implantacije iona visoke temperature i visoke energije će povećati krivljenje pločice. Ovi problemi također su postali smjer koji hitno treba optimizirati i proučiti u procesu proizvodnje SiC ionske implantacije i žarenja.
Slika 8 Shematski dijagram usporedbe između normalnog rasporeda rešetke 4H-SiC i različitih grešaka slaganja
(Izvor: Nicolὸ Piluso 4H-SiC defekti)
V.
Poboljšanje procesa implantacije iona silicijevog karbida
(1) Tanki oksidni film zadržava se na površini područja ionske implantacije kako bi se smanjio stupanj implantacijske štete uzrokovane visokoenergetskom ionskom implantacijom na površini epitaksijalnog sloja silicijevog karbida, kao što je prikazano na slici 9. (a) .
(2) Poboljšajte kvalitetu ciljnog diska u opremi za ionsku implantaciju, tako da pločica i ciljni disk bolje pristaju, toplinska vodljivost ciljnog diska prema ploči je bolja, a oprema zagrijava stražnji dio pločice ravnomjernije, poboljšavajući kvalitetu visokotemperaturne i visokoenergetske implantacije iona na pločicama od silicij karbida, kao što je prikazano na slici 9. (b).
(3) Optimizirajte brzinu porasta temperature i ujednačenost temperature tijekom rada opreme za žarenje na visokim temperaturama.
Slika 9 Metode za poboljšanje procesa ionske implantacije
Vrijeme objave: 22. listopada 2024