Ionska implantacija je metoda dodavanja određene količine i vrste nečistoća u poluvodičke materijale kako bi se promijenila njihova električna svojstva. Količina i distribucija nečistoća može se precizno kontrolisati.
Dio 1
Zašto koristiti proces ionske implantacije
U proizvodnji energetskih poluvodičkih uređaja, P/N područje dopinga tradicionalnosilikonske pločicemože se postići difuzijom. Međutim, konstanta difuzije atoma nečistoća usilicijum karbidaje izuzetno nizak, pa je nerealno postići selektivno dopiranje procesom difuzije, kao što je prikazano na slici 1. S druge strane, temperaturni uslovi implantacije jona su niži od onih u procesu difuzije, a fleksibilnija i preciznija raspodjela dopinga može biti formiran.
Slika 1. Poređenje tehnologija dopinga difuzije i ionske implantacije u materijalima od silicijum karbida
dio 2
Kako postićisilicijum karbidajonska implantacija
Tipična visokoenergetska oprema za implantaciju jona koja se koristi u procesu proizvodnje silicijum karbida uglavnom se sastoji od izvora jona, plazme, komponenti za aspiraciju, analitičkih magneta, jonskih snopova, akceleracionih cevi, procesnih komora i diskova za skeniranje, kao što je prikazano na slici 2.
Slika 2 Šematski dijagram opreme za implantaciju visokoenergetskih jona od silicijum karbida
(Izvor: “Tehnologija proizvodnje poluprovodnika”)
Implantacija SiC jona obično se izvodi na visokoj temperaturi, što može minimizirati oštećenje kristalne rešetke uzrokovano ionskim bombardiranjem. Za4H-SiC pločice, proizvodnja površina N-tipa se obično postiže implantacijom dušikovih i fosfornih jona, te proizvodnjomP-tippodručja se obično postiže implantacijom jona aluminija i bora.
Tabela 1. Primjer selektivnog dopinga u proizvodnji SiC uređaja
(Izvor: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicij karbida: rast, karakterizacija, uređaji i primjene)
Slika 3. Poređenje višestepene energetske ionske implantacije i raspodjele koncentracije dopinga na površini pločice
(Izvor: G.Lulli, Uvod u ionsku implantaciju)
Da bi se postigla ujednačena koncentracija dopinga u području implantacije jona, inženjeri obično koriste višestepenu ionsku implantaciju kako bi podesili ukupnu distribuciju koncentracije u području implantacije (kao što je prikazano na slici 3); u stvarnom procesu proizvodnje, podešavanjem energije implantacije i implantacijske doze ionskog implantatora, može se kontrolisati koncentracija dopinga i dubina dopinga u području implantacije jona, kao što je prikazano na slici 4. (a) i (b); jonski implantator izvodi jednoliku ionsku implantaciju na površinu pločice skeniranjem površine pločice više puta tokom rada, kao što je prikazano na slici 4. (c).
(c) Putanja kretanja jonskog implantatora tokom jonske implantacije
Slika 4. Tokom procesa ionske implantacije, koncentracija i dubina nečistoće se kontroliraju podešavanjem energije implantacije iona i doze
III
Proces aktivacijskog žarenja za implantaciju jona silicijum karbida
Koncentracija, područje distribucije, brzina aktivacije, defekti u tijelu i na površini jonske implantacije su glavni parametri procesa ionske implantacije. Mnogo je faktora koji utječu na rezultate ovih parametara, uključujući dozu implantacije, energiju, kristalnu orijentaciju materijala, temperaturu implantacije, temperaturu žarenja, vrijeme žarenja, okolinu, itd. Za razliku od dopinga implantacijom silicijum jona, još uvijek je teško potpuno ionizirati nečistoće silicijum karbida nakon ionske implantacije dopinga. Uzimajući za primjer brzinu ionizacije akceptora aluminija u neutralnom području 4H-SiC, pri koncentraciji dopinga od 1×1017 cm-3, stopa jonizacije akceptora je samo oko 15% na sobnoj temperaturi (obično je brzina jonizacije silicijuma približno 100%). Da bi se postigao cilj visoke stope aktivacije i manjeg broja defekata, nakon ionske implantacije koristit će se proces žarenja na visokoj temperaturi kako bi se rekristalizirali amorfni defekti nastali tijekom implantacije, tako da implantirani atomi ulaze u mjesto supstitucije i aktiviraju se, kao što je prikazano. na slici 5. Trenutno, razumijevanje ljudi o mehanizmu procesa žarenja je još uvijek ograničeno. Kontrola i dubinsko razumijevanje procesa žarenja jedan je od fokusa istraživanja jonske implantacije u budućnosti.
Slika 5 Šematski dijagram promjene atomskog rasporeda na površini područja implantacije jona silicijum karbida prije i nakon žarenja ionske implantacije, gdje je Vsipredstavlja silicijumska slobodna radna mesta, VCpredstavlja ugljična slobodna mjesta, Cipredstavlja atome koji ispunjavaju ugljenik, a Siipredstavlja atome silicijuma koji ispunjavaju
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 se uglavnom izvodi u inertnom plinu ili vakuumu. Različiti ioni uzrokuju različite centre defekta 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. Utjecaj temperature žarenja na brzinu električne aktivacije implantacije dušika ili fosfora u SiC (na sobnoj temperaturi)
(Ukupna doza implantacije 1×1014cm-2)
(Izvor: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicij karbida: rast, karakterizacija, uređaji i primjene)
Uobičajeni proces aktivacijskog žarenja nakon implantacije SiC jona provodi se u atmosferi Ar na 1600℃~1700℃ da bi se rekristalizirala SiC površina i aktivirao dopant, čime se poboljšava provodljivost dopiranog područja; prije žarenja, sloj ugljičnog filma može se obložiti na površinu pločice radi površinske zaštite kako bi se smanjila degradacija površine uzrokovana desorpcijom Si i površinskom atomskom migracijom, kao što je prikazano na slici 7; nakon žarenja, karbonski film se može ukloniti oksidacijom ili korozijom.
Slika 7. Poređenje hrapavosti površine 4H-SiC pločica sa ili bez zaštite od karbonskog filma ispod temperature žarenja od 1800℃
(Izvor: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicij karbida: rast, karakterizacija, uređaji i primjene)
IV
Utjecaj implantacije SiC jona i procesa aktivacijskog žarenja
Ionska implantacija i naknadno aktivacijsko žarenje neizbježno će proizvesti defekte koji smanjuju performanse uređaja: složene tačke defekte, greške slaganja (kao što je prikazano na slici 8), nove dislokacije, plitke ili duboke defekte nivoa energije, petlje dislokacije bazalne ravni i pomicanje postojećih dislokacija. Budući da će proces visokoenergetskog ionskog bombardiranja uzrokovati stres na SiC pločicu, visokotemperaturni i visokoenergetski proces implantacije jona će povećati savijanje pločice. Ovi problemi su također postali pravac koji hitno treba optimizirati i proučavati u procesu proizvodnje SiC ionske implantacije i žarenja.
Slika 8 Šematski dijagram poređenja između normalnog rasporeda 4H-SiC rešetke i različitih grešaka u slaganju
(Izvor: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defekti)
V.
Poboljšanje procesa implantacije jona silicijum karbida
(1) Tanki oksidni film se zadržava na površini područja ionske implantacije kako bi se smanjio stupanj oštećenja implantacije uzrokovanog visokoenergetskom ionskom implantacijom na površinu epitaksijalnog sloja silicijum karbida, kao što je prikazano na slici 9. (a) .
(2) Poboljšati kvalitetu ciljnog diska u opremi za ionsku implantaciju, tako da se pločica i ciljni disk bliže uklapaju, toplinska provodljivost ciljnog diska prema pločici je bolja, a oprema zagrijava stražnji dio pločice ujednačenije, poboljšavajući kvalitet visokotemperaturne i visokoenergetske ionske implantacije na pločice od silicijum karbida, kao što je prikazano na slici 9. (b).
(3) Optimizirajte brzinu porasta temperature i ujednačenost temperature tokom rada opreme za visokotemperaturno žarenje.
Slika 9 Metode za poboljšanje procesa ionske implantacije
Vrijeme objave: 22.10.2024