Йонната имплантация е метод за добавяне на определено количество и вид примеси в полупроводникови материали, за да се променят техните електрически свойства. Количеството и разпределението на примесите може да се контролира прецизно.
част 1
Защо да използвате процес на йонна имплантация
При производството на силови полупроводникови устройства, P/N региона допинг на традиционнитесилициеви пластиниможе да се постигне чрез дифузия. Въпреки това дифузионната константа на примесните атоми всилициев карбиде изключително ниска, така че е нереалистично да се постигне селективно допиране чрез процес на дифузия, както е показано на фигура 1. От друга страна, температурните условия на йонна имплантация са по-ниски от тези на процеса на дифузия и по-гъвкаво и точно разпределение на допинга може да се формира.
Фигура 1 Сравнение на технологиите за допиране чрез дифузия и имплантиране на йони в материали от силициев карбид
Част 2
Как да постигнемсилициев карбидйонна имплантация
Типичното оборудване за имплантиране на високоенергийни йони, използвано в процеса на производство на силициев карбид, се състои главно от йонен източник, плазма, аспирационни компоненти, аналитични магнити, йонни лъчи, ускорителни тръби, камери за процес и сканиращи дискове, както е показано на фигура 2.
Фигура 2 Схематична диаграма на оборудване за имплантиране на високоенергийни йони от силициев карбид
(Източник: „Технология за производство на полупроводници“)
Имплантирането на SiC йони обикновено се извършва при висока температура, което може да сведе до минимум увреждането на кристалната решетка, причинено от йонно бомбардиране. За4H-SiC пластини, производството на зони от тип N обикновено се постига чрез имплантиране на азотни и фосфорни йони и производството наP-типобласти обикновено се постига чрез имплантиране на алуминиеви йони и борни йони.
Таблица 1. Пример за селективно легиране при производството на SiC устройства
(Източник: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Фигура 3 Сравнение на многоетапно енергийно йонно имплантиране и разпределение на концентрацията на легиране на повърхността на пластината
(Източник: G.Lulli, Въведение в йонната имплантация)
За да се постигне равномерна концентрация на допинг в зоната на йонна имплантация, инженерите обикновено използват многоетапна йонна имплантация, за да регулират общото разпределение на концентрацията на зоната на имплантиране (както е показано на фигура 3); в действителния процес на производство чрез регулиране на енергията на имплантиране и дозата на имплантиране на йонния имплантатор, концентрацията на допинг и дълбочината на допиране на зоната за имплантиране на йони могат да бъдат контролирани, както е показано на фигура 4. (a) и (b); йонният имплантатор извършва равномерно имплантиране на йони върху повърхността на пластината чрез сканиране на повърхността на пластината многократно по време на работа, както е показано на Фигура 4. (c).
( c ) Траектория на движение на йонния имплантатор по време на йонна имплантация
Фигура 4 По време на процеса на йонна имплантация концентрацията и дълбочината на примесите се контролират чрез регулиране на енергията и дозата на йонна имплантация
III
Процес на активиращо отгряване за имплантиране на йони от силициев карбид
Концентрацията, площта на разпространение, скоростта на активиране, дефектите в тялото и на повърхността на йонната имплантация са основните параметри на процеса на йонна имплантация. Има много фактори, които влияят върху резултатите от тези параметри, включително имплантационна доза, енергия, кристална ориентация на материала, температура на имплантиране, температура на отгряване, време на отгряване, среда и т.н. примесите на силициевия карбид след допиране чрез йонна имплантация. Вземайки скоростта на йонизация на алуминиевия акцептор в неутралната област на 4H-SiC като пример, при концентрация на допинг от 1 × 1017 cm-3, скоростта на йонизация на акцептора е само около 15% при стайна температура (обикновено скоростта на йонизация на силиция е приблизително 100%). За да се постигне целта за висока скорост на активиране и по-малко дефекти, след имплантиране на йони ще се използва процес на високотемпературно отгряване за рекристализиране на аморфните дефекти, генерирани по време на имплантирането, така че имплантираните атоми да влязат в мястото на заместване и да се активират, както е показано на фигура 5. Понастоящем разбирането на хората за механизма на процеса на отгряване все още е ограничено. Контролът и задълбоченото разбиране на процеса на отгряване е един от изследователските фокуси на йонната имплантация в бъдеще.
Фигура 5 Схематична диаграма на промяната на атомното подреждане на повърхността на зоната за имплантиране на йон от силициев карбид преди и след отгряване на йонна имплантация, където Vsiпредставлява свободни места в силиций, VCпредставлява въглеродни свободни места, Ciпредставлява въглеродни запълващи атоми, и Siiпредставлява силициеви запълващи атоми
Отгряването с йонно активиране обикновено включва отгряване в пещ, бързо отгряване и лазерно отгряване. Поради сублимацията на Si атоми в SiC материали, температурата на отгряване обикновено не надвишава 1800 ℃; атмосферата на отгряване обикновено се извършва в инертен газ или вакуум. Различните йони причиняват различни дефектни центрове в SiC и изискват различни температури на отгряване. От повечето експериментални резултати може да се заключи, че колкото по-висока е температурата на отгряване, толкова по-висока е скоростта на активиране (както е показано на фигура 6).
Фигура 6 Ефект на температурата на отгряване върху скоростта на електрическо активиране на имплантиране на азот или фосфор в SiC (при стайна температура)
(Обща имплантационна доза 1 × 1014 cm-2)
(Източник: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Обикновено използваният процес на активиращо отгряване след имплантиране на SiC йони се извършва в атмосфера на Ar при 1600 ℃ ~ 1700 ℃ за рекристализиране на повърхността на SiC и активиране на добавката, като по този начин се подобрява проводимостта на легираната област; преди отгряване слой от въглероден филм може да бъде покрит върху повърхността на пластината за защита на повърхността, за да се намали разграждането на повърхността, причинено от десорбция на Si и повърхностна атомна миграция, както е показано на фигура 7; след отгряване въглеродният филм може да бъде отстранен чрез окисление или корозия.
Фигура 7 Сравнение на грапавостта на повърхността на 4H-SiC пластини със или без защита от въглероден филм при температура на отгряване 1800 ℃
(Източник: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Въздействието на имплантирането на SiC йони и процеса на активиращо отгряване
Йонната имплантация и последващото активиращо отгряване неизбежно ще произведат дефекти, които намаляват производителността на устройството: сложни точкови дефекти, грешки при подреждане (както е показано на Фигура 8), нови дислокации, плитки или дълбоки дефекти на енергийно ниво, дислокационни бримки в базалната равнина и движение на съществуващи дислокации. Тъй като процесът на високоенергийно йонно бомбардиране ще причини напрежение на SiC пластината, процесът на високотемпературна и високоенергийна йонна имплантация ще увеличи изкривяването на пластината. Тези проблеми също се превърнаха в посока, която спешно трябва да бъде оптимизирана и проучена в производствения процес на имплантиране и отгряване на SiC йони.
Фигура 8 Схематична диаграма на сравнението между нормалното подреждане на решетката на 4H-SiC и различни грешки при подреждане
(Източник: Nicolὸ Piluso 4H-SiC дефекти)
V.
Подобряване на процеса на имплантиране на йони от силициев карбид
(1) Тънък оксиден филм се задържа върху повърхността на зоната за имплантиране на йони, за да се намали степента на увреждане на имплантирането, причинено от имплантиране на високоенергийни йони върху повърхността на епитаксиалния слой от силициев карбид, както е показано на фигура 9. (a) .
(2) Подобряване на качеството на целевия диск в оборудването за йонна имплантация, така че пластината и целевият диск да пасват по-близо, топлопроводимостта на целевия диск към пластината да е по-добра и оборудването да загрява гърба на пластината по-равномерно, подобрявайки качеството на йонна имплантация при висока температура и висока енергия върху пластини от силициев карбид, както е показано на фигура 9. (b).
(3) Оптимизирайте скоростта на повишаване на температурата и равномерността на температурата по време на работа на оборудването за високотемпературно отгряване.
Фигура 9 Методи за подобряване на процеса на йонна имплантация
Време на публикуване: 22 октомври 2024 г