Iontová implantace je metoda přidávání určitého množství a typu nečistot do polovodičových materiálů za účelem změny jejich elektrických vlastností. Množství a rozložení nečistot lze přesně kontrolovat.
Část 1
Proč používat proces iontové implantace
Při výrobě výkonových polovodičových součástek je P/N region doping tradičníkřemíkové destičkylze dosáhnout difúzí. Nicméně difúzní konstanta atomů nečistot vkarbid křemíkuje extrémně nízká, takže je nereálné dosáhnout selektivního dopování difúzním procesem, jak je znázorněno na obrázku 1. Na druhou stranu teplotní podmínky iontové implantace jsou nižší než teplotní podmínky difúzního procesu a flexibilnější a přesnější distribuce dopingu může být tvořen.
Obrázek 1 Porovnání technologií dopingu difúze a iontové implantace v materiálech z karbidu křemíku
Část 2
Jak dosáhnoutkarbid křemíkuiontová implantace
Typické zařízení pro implantaci vysokoenergetických iontů používané v procesu výroby karbidu křemíku sestává hlavně ze zdroje iontů, plazmy, aspiračních komponent, analytických magnetů, iontových paprsků, urychlovacích trubic, procesních komor a skenovacích disků, jak je znázorněno na obrázku 2.
Obrázek 2 Schematický diagram zařízení pro implantaci vysokoenergetických iontů z karbidu křemíku
(Zdroj: „Technologie výroby polovodičů“)
Implantace iontů SiC se obvykle provádí při vysoké teplotě, která může minimalizovat poškození krystalové mřížky způsobené bombardováním ionty. Pro4H-SiC destičkyprodukce oblastí typu N se obvykle dosahuje implantací iontů dusíku a fosforu a produkceP-typoblastí se obvykle dosahuje implantací iontů hliníku a iontů boru.
Tabulka 1. Příklad selektivního dopování při výrobě SiC zařízení
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Obrázek 3 Porovnání vícestupňové energetické iontové implantace a distribuce koncentrace dopingu na povrchu plátku
(Zdroj: G.Lulli, Úvod do iontové implantace)
Aby se dosáhlo jednotné koncentrace dopingu v oblasti implantace iontů, inženýři obvykle používají vícestupňovou implantaci iontů k úpravě celkové distribuce koncentrace v oblasti implantace (jak je znázorněno na obrázku 3); ve skutečném výrobním procesu lze úpravou implantační energie a implantační dávky iontového implantátoru řídit koncentraci dotování a hloubku dotování v oblasti implantace iontů, jak je znázorněno na obrázku 4. (a) a (b); iontový implantátor provádí rovnoměrnou implantaci iontů na povrch destičky tím, že během provozu několikrát skenuje povrch destičky, jak je znázorněno na obrázku 4. (c).
(c) Trajektorie pohybu iontového implantátoru během iontové implantace
Obrázek 4 Během procesu iontové implantace se koncentrace a hloubka nečistot řídí úpravou energie a dávky iontové implantace
III
Proces aktivačního žíhání pro implantaci iontů karbidu křemíku
Koncentrace, distribuční oblast, rychlost aktivace, defekty v těle a na povrchu iontové implantace jsou hlavní parametry procesu iontové implantace. Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují výsledky těchto parametrů, včetně implantační dávky, energie, krystalové orientace materiálu, teploty implantace, teploty žíhání, doby žíhání, prostředí atd. Na rozdíl od implantačního dopingu křemíkovým iontem je stále obtížné zcela ionizovat nečistoty karbidu křemíku po dopování iontovou implantací. Vezmeme-li jako příklad rychlost ionizace hliníkového akceptoru v neutrální oblasti 4H-SiC, při dopingové koncentraci 1 × 1017 cm-3 je rychlost ionizace akceptoru pouze asi 15 % při pokojové teplotě (obvykle je rychlost ionizace křemíku přibližně 100 %). Aby bylo dosaženo cíle vysoké míry aktivace a méně defektů, bude po implantaci iontů použit proces vysokoteplotního žíhání k rekrystalizaci amorfních defektů vzniklých během implantace, takže implantované atomy vstoupí do substitučního místa a jsou aktivovány, jak je znázorněno na obrázku 5. V současné době je chápání mechanismu procesu žíhání lidmi stále omezené. Kontrola a hloubkové porozumění procesu žíhání je jedním z výzkumných záměrů iontové implantace v budoucnosti.
Obrázek 5 Schematický diagram změny atomového uspořádání na povrchu oblasti implantace iontů karbidu křemíku před a po iontovém implantačním žíhání, kde Vsipředstavuje křemíková volná místa, VCpředstavuje uhlíková volná místa, Cipředstavuje atomy uhlíkové náplně a Siipředstavuje atomy křemíkové náplně
Žíhání s iontovou aktivací obecně zahrnuje žíhání v peci, rychlé žíhání a laserové žíhání. V důsledku sublimace atomů Si v materiálech SiC teplota žíhání obecně nepřesahuje 1800 ℃; žíhací atmosféra se obecně provádí v inertním plynu nebo vakuu. Různé ionty způsobují různá centra defektů v SiC a vyžadují různé teploty žíhání. Z většiny experimentálních výsledků lze usoudit, že čím vyšší je teplota žíhání, tím vyšší je rychlost aktivace (jak je znázorněno na obrázku 6).
Obrázek 6 Vliv teploty žíhání na rychlost elektrické aktivace implantace dusíku nebo fosforu do SiC (při pokojové teplotě)
(Celková implantační dávka 1×1014cm-2)
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Běžně používaný proces aktivačního žíhání po implantaci iontů SiC se provádí v atmosféře Ar při 1600 °C~1700 °C, aby se rekrystalizoval povrch SiC a aktivoval se dopant, čímž se zlepšila vodivost dotované oblasti; před žíháním může být na povrch plátku potažena vrstva uhlíkového filmu pro ochranu povrchu, aby se snížila degradace povrchu způsobená desorpcí Si a migrací povrchových atomů, jak je znázorněno na obrázku 7; po žíhání lze uhlíkový film odstranit oxidací nebo korozí.
Obrázek 7 Porovnání drsnosti povrchu 4H-SiC destiček s nebo bez ochrany uhlíkovým filmem při teplotě žíhání 1800 °C
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Vliv implantace SiC iontů a aktivačního procesu žíhání
Implantace iontů a následné aktivační žíhání nevyhnutelně způsobí defekty, které snižují výkon zařízení: komplexní bodové defekty, stohovací chyby (jak je znázorněno na obrázku 8), nové dislokace, defekty na mělké nebo hluboké úrovni energie, dislokační smyčky v bazální rovině a pohyb stávajících dislokací. Vzhledem k tomu, že proces bombardování vysokoenergetickými ionty způsobí namáhání destičky SiC, proces implantace vysokoteplotních a vysokoenergetických iontů zvýší deformaci destičky. Tyto problémy se také staly směrem, který je naléhavě potřeba optimalizovat a studovat ve výrobním procesu implantace a žíhání SiC iontů.
Obrázek 8 Schematický diagram srovnání mezi normálním uspořádáním 4H-SiC mřížky a různými poruchami vrstvení
(Zdroj: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Zlepšení procesu implantace iontů karbidu křemíku
(1) Na povrchu oblasti implantace iontů je zadržen tenký oxidový film, aby se snížil stupeň poškození implantace způsobené implantací vysokoenergetických iontů na povrch epitaxní vrstvy karbidu křemíku, jak je znázorněno na obrázku 9. (a) .
(2) Zlepšete kvalitu cílového disku v zařízení pro implantaci iontů tak, aby plátek a cílový disk těsněji lícovaly, tepelná vodivost cílového disku k plátku byla lepší a zařízení ohřívalo zadní stranu plátku. rovnoměrněji, zlepšuje kvalitu vysokoteplotní a vysokoenergetické iontové implantace na destičkách z karbidu křemíku, jak je znázorněno na obrázku 9. (b).
(3) Optimalizujte rychlost nárůstu teploty a rovnoměrnost teploty během provozu zařízení pro vysokoteplotní žíhání.
Obrázek 9 Metody pro zlepšení procesu implantace iontů
Čas odeslání: 22. října 2024