Iónová implantácia je metóda pridávania určitého množstva a typu nečistôt do polovodičových materiálov, aby sa zmenili ich elektrické vlastnosti. Množstvo a rozloženie nečistôt je možné presne kontrolovať.
Časť 1
Prečo používať proces iónovej implantácie
Pri výrobe výkonových polovodičových súčiastok je P/N región dopovaný tradičnýmkremíkové doštičkymožno dosiahnuť difúziou. Avšak difúzna konštanta atómov nečistôt vkarbid kremíkaje extrémne nízka, takže je nereálne dosiahnuť selektívny doping difúznym procesom, ako je znázornené na obrázku 1. Na druhej strane teplotné podmienky implantácie iónov sú nižšie ako podmienky difúzneho procesu a flexibilnejšia a presnejšia distribúcia dopingu môže byť formovaný.
Obrázok 1 Porovnanie dopingových technológií difúzie a iónovej implantácie v materiáloch z karbidu kremíka
Časť 2
Ako dosiahnuťkarbid kremíkaimplantácia iónov
Typické vysokoenergetické zariadenie na implantáciu iónov používané v procese výroby karbidu kremíka pozostáva hlavne zo zdroja iónov, plazmy, aspiračných komponentov, analytických magnetov, iónových lúčov, akceleračných trubíc, procesných komôr a skenovacích diskov, ako je znázornené na obrázku 2.
Obrázok 2 Schematický diagram zariadenia na implantáciu vysokoenergetických iónov z karbidu kremíka
(Zdroj: „Technológia výroby polovodičov“)
Implantácia iónov SiC sa zvyčajne vykonáva pri vysokej teplote, ktorá môže minimalizovať poškodenie kryštálovej mriežky spôsobené bombardovaním iónmi. Pre4H-SiC doštičkyprodukcia oblastí typu N sa zvyčajne dosahuje implantáciou iónov dusíka a fosforu a produkciouP-typoblasti sa zvyčajne dosahuje implantáciou iónov hliníka a iónov bóru.
Tabuľka 1. Príklad selektívneho dopingu pri výrobe SiC zariadení
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Základy technológie karbidu kremíka: Rast, charakterizácia, zariadenia a aplikácie)
Obrázok 3 Porovnanie viacstupňovej implantácie energie iónov a distribúcie koncentrácie dopingu na povrchu plátku
(Zdroj: G.Lulli, Úvod do iónovej implantácie)
Aby sa dosiahla rovnomerná koncentrácia dopingu v oblasti implantácie iónov, inžinieri zvyčajne používajú viacstupňovú implantáciu iónov na úpravu celkovej distribúcie koncentrácie v oblasti implantácie (ako je znázornené na obrázku 3); v aktuálnom výrobnom procese úpravou implantačnej energie a implantačnej dávky iónového implantátora je možné regulovať koncentráciu dopovania a hĺbku dotovania v oblasti implantácie iónov, ako je znázornené na obrázku 4. (a) a (b); iónový implantátor vykonáva rovnomernú implantáciu iónov na povrch plátku tak, že počas prevádzky niekoľkokrát skenuje povrch plátku, ako je znázornené na obrázku 4. (c).
(c) Trajektória pohybu iónového implantátora počas implantácie iónov
Obrázok 4 Počas procesu implantácie iónov sa koncentrácia a hĺbka nečistôt riadi úpravou energie a dávky implantácie iónov
III
Proces aktivačného žíhania pre implantáciu iónov karbidu kremíka
Koncentrácia, distribučná oblasť, rýchlosť aktivácie, defekty v tele a na povrchu iónovej implantácie sú hlavné parametre procesu iónovej implantácie. Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú výsledky týchto parametrov, vrátane implantačnej dávky, energie, kryštálovej orientácie materiálu, teploty implantácie, teploty žíhania, doby žíhania, prostredia atď. nečistoty karbidu kremíka po dopovaní iónovou implantáciou. Ak vezmeme ako príklad rýchlosť ionizácie hliníka v neutrálnej oblasti 4H-SiC, pri dopingovej koncentrácii 1 x 1017 cm-3 je rýchlosť ionizácie akceptora len asi 15 % pri izbovej teplote (zvyčajne je rýchlosť ionizácie kremíka približne 100%). Aby sa dosiahol cieľ vysokej miery aktivácie a menšieho počtu defektov, po implantácii iónov sa použije proces vysokoteplotného žíhania na rekryštalizáciu amorfných defektov vytvorených počas implantácie, takže implantované atómy vstupujú do substitučného miesta a sú aktivované, ako je znázornené na obrázku 5. V súčasnosti je pochopenie mechanizmu procesu žíhania stále obmedzené. Kontrola a hĺbkové pochopenie procesu žíhania je jedným z výskumných zameraní implantácie iónov v budúcnosti.
Obrázok 5 Schematický diagram zmeny usporiadania atómov na povrchu oblasti implantácie iónov karbidu kremíka pred a po žíhaní iónovou implantáciou, kde Vsipredstavuje kremíkové voľné miesta, VCpredstavuje uhlíkové voľné miesta, Cipredstavuje uhlíkové plniace atómy a Siipredstavuje atómy kremíka
Iónové aktivačné žíhanie všeobecne zahŕňa žíhanie v peci, rýchle žíhanie a žíhanie laserom. V dôsledku sublimácie atómov Si v materiáloch SiC teplota žíhania vo všeobecnosti nepresahuje 1800 ℃; žíhacia atmosféra sa všeobecne uskutočňuje v inertnom plyne alebo vo vákuu. Rôzne ióny spôsobujú rôzne centrá defektov v SiC a vyžadujú rôzne teploty žíhania. Z väčšiny experimentálnych výsledkov možno usúdiť, že čím vyššia je teplota žíhania, tým vyššia je rýchlosť aktivácie (ako je znázornené na obrázku 6).
Obrázok 6 Vplyv teploty žíhania na rýchlosť elektrickej aktivácie implantácie dusíka alebo fosforu do SiC (pri izbovej teplote)
(Celková implantačná dávka 1×1014cm-2)
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Základy technológie karbidu kremíka: Rast, charakterizácia, zariadenia a aplikácie)
Bežne používaný proces aktivačného žíhania po implantácii iónov SiC sa uskutočňuje v atmosfére Ar pri 1600 °C ~ 1700 °C, aby sa rekryštalizoval povrch SiC a aktivoval sa dopant, čím sa zlepšila vodivosť dotovanej oblasti; pred žíhaním možno na povrch plátku naniesť vrstvu uhlíkového filmu na ochranu povrchu, aby sa znížila povrchová degradácia spôsobená desorpciou Si a migráciou povrchových atómov, ako je znázornené na obrázku 7; po žíhaní môže byť uhlíkový film odstránený oxidáciou alebo koróziou.
Obrázok 7 Porovnanie drsnosti povrchu 4H-SiC doštičiek s alebo bez ochrany uhlíkovým filmom pri teplote žíhania 1800 °C
(Zdroj: Kimoto, Cooper, Základy technológie karbidu kremíka: Rast, charakterizácia, zariadenia a aplikácie)
IV
Vplyv implantácie iónov SiC a aktivačného procesu žíhania
Implantácia iónov a následné aktivačné žíhanie nevyhnutne spôsobí defekty, ktoré znižujú výkon zariadenia: komplexné bodové defekty, stohovacie chyby (ako je znázornené na obrázku 8), nové dislokácie, defekty na plytkej alebo hlbokej úrovni energie, dislokačné slučky v bazálnej rovine a pohyb existujúcich dislokácií. Pretože proces bombardovania vysokoenergetickými iónmi spôsobí namáhanie doštičky SiC, proces implantácie vysokoteplotných a vysokoenergetických iónov zvýši deformáciu doštičky. Tieto problémy sa tiež stali smerom, ktorý je naliehavo potrebné optimalizovať a študovať vo výrobnom procese implantácie a žíhania iónov SiC.
Obrázok 8 Schematický diagram porovnania medzi normálnym usporiadaním mriežky 4H-SiC a rôznymi poruchami stohovania
(Zdroj: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Zlepšenie procesu implantácie iónov karbidu kremíka
(1) Tenký oxidový film sa zachová na povrchu oblasti implantácie iónov, aby sa znížil stupeň poškodenia implantácie spôsobeného implantáciou vysokoenergetických iónov na povrch epitaxiálnej vrstvy karbidu kremíka, ako je znázornené na obrázku 9. (a) .
(2) Zlepšite kvalitu cieľového disku v zariadení na implantáciu iónov tak, aby plátok a cieľový disk tesnejšie priliehali, tepelná vodivosť cieľového disku k plátku bola lepšia a zariadenie ohrievalo zadnú stranu plátku. rovnomernejšie, zlepšenie kvality vysokoteplotnej a vysokoenergetickej implantácie iónov na doštičky karbidu kremíka, ako je znázornené na obrázku 9. (b).
(3) Optimalizujte rýchlosť nárastu teploty a rovnomernosť teploty počas prevádzky zariadenia na vysokoteplotné žíhanie.
Obrázok 9 Spôsoby zlepšenia procesu implantácie iónov
Čas odoslania: 22. októbra 2024