Ionska implantacija je metoda dodajanja določene količine in vrste nečistoč v polprevodniške materiale, da se spremenijo njihove električne lastnosti. Količino in porazdelitev nečistoč je mogoče natančno nadzorovati.
1. del
Zakaj uporabljati postopek ionske implantacije
Pri izdelavi močnostnih polprevodniških naprav je tradicionalno dopiranje regije P/Nsilicijeve rezinelahko dosežemo z difuzijo. Vendar pa je difuzijska konstanta atomov nečistoč vsilicijev karbidje izjemno nizka, zato je nerealno doseči selektivno dopiranje z difuzijskim postopkom, kot je prikazano na sliki 1. Po drugi strani pa so temperaturni pogoji ionske implantacije nižji od tistih pri difuzijskem postopku, bolj prožna in natančna porazdelitev dopinga pa lahko se oblikovati.
Slika 1 Primerjava tehnologij dopiranja z difuzijo in ionsko implantacijo v materialih iz silicijevega karbida
2. del
Kako dosečisilicijev karbidionska implantacija
Tipična oprema za visokoenergijsko ionsko implantacijo, ki se uporablja v postopku izdelave silicijevega karbida, je v glavnem sestavljena iz ionskega vira, plazme, sesalnih komponent, analitičnih magnetov, ionskih žarkov, pospeševalnih cevi, procesnih komor in optičnih diskov, kot je prikazano na sliki 2.
Slika 2 Shematski diagram opreme za implantacijo visokoenergijskih ionov iz silicijevega karbida
(Vir: “Tehnologija izdelave polprevodnikov”)
Implantacija ionov SiC se običajno izvaja pri visoki temperaturi, kar lahko zmanjša poškodbe kristalne mreže zaradi ionskega bombardiranja. Za4H-SiC rezine, proizvodnjo območij tipa N običajno dosežemo z vsaditvijo dušikovih in fosforjevih ionov ter proizvodnjoP-tippovršin običajno dosežemo z implantacijo aluminijevih ionov in borovih ionov.
Tabela 1. Primer selektivnega dopinga pri izdelavi naprav iz SiC
(Vir: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicijevega karbida: rast, karakterizacija, naprave in aplikacije)
Slika 3 Primerjava večstopenjske energijske ionske implantacije in porazdelitve koncentracije dopinga na površini rezin
(Vir: G.Lulli, Uvod v ionsko implantacijo)
Da bi dosegli enakomerno koncentracijo dopinga v območju ionske implantacije, inženirji običajno uporabljajo večstopenjsko ionsko implantacijo za prilagoditev celotne porazdelitve koncentracije območja implantacije (kot je prikazano na sliki 3); v proizvodnem procesu dejanskega postopka je mogoče s prilagajanjem energije implantacije in implantacijskega odmerka ionskega implantatorja nadzorovati koncentracijo dopinga in globino dopinga območja ionske implantacije, kot je prikazano na sliki 4. (a) in (b); ionski implantator izvede enotno ionsko implantacijo na površino rezine tako, da med delovanjem večkrat skenira površino rezine, kot je prikazano na sliki 4. (c).
(c) Pot gibanja ionskega implanterja med ionsko implantacijo
Slika 4 Med postopkom ionske implantacije se koncentracija in globina nečistoč nadzorujeta s prilagajanjem energije in odmerka ionske implantacije
III
Postopek aktivacijskega žarjenja za implantacijo ionov silicijevega karbida
Koncentracija, območje porazdelitve, stopnja aktivacije, napake v telesu in na površini ionske implantacije so glavni parametri procesa ionske implantacije. Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na rezultate teh parametrov, vključno z odmerkom implantacije, energijo, kristalno orientacijo materiala, temperaturo implantacije, temperaturo žarjenja, časom žarjenja, okoljem itd. nečistoče silicijevega karbida po dopiranju z ionsko implantacijo. Če za primer vzamemo stopnjo ionizacije aluminijevega akceptorja v nevtralnem območju 4H-SiC, je pri koncentraciji dopinga 1 × 1017 cm-3 stopnja ionizacije akceptorja le približno 15 % pri sobni temperaturi (ponavadi je stopnja ionizacije silicija približno 100 %). Da bi dosegli cilj visoke stopnje aktivacije in manj napak, bo po ionski implantaciji uporabljen postopek visokotemperaturnega žarjenja za rekristalizacijo amorfnih napak, ki nastanejo med implantacijo, tako da implantirani atomi vstopijo na substitucijsko mesto in se aktivirajo, kot je prikazano na sliki 5. Trenutno je razumevanje mehanizma procesa žarjenja pri ljudeh še vedno omejeno. Nadzor in poglobljeno razumevanje procesa žarjenja je eden od raziskovalnih fokusov ionske implantacije v prihodnosti.
Slika 5 Shematski diagram spremembe atomske razporeditve na površini območja implantacije ionov silicijevega karbida pred in po žarjenju z ionsko implantacijo, kjer je Vsipredstavlja prosta mesta silicija, VCpredstavlja prosta mesta ogljika, Cipredstavlja ogljikove polnilne atome in Siipredstavlja polnilne atome silicija
Ionsko aktivacijsko žarjenje na splošno vključuje žarjenje v peči, hitro žarjenje in lasersko žarjenje. Zaradi sublimacije atomov Si v materialih SiC temperatura žarjenja običajno ne preseže 1800 ℃; žarilna atmosfera se običajno izvaja v inertnem plinu ali vakuumu. Različni ioni povzročajo različna središča napak v SiC in zahtevajo različne temperature žarjenja. Iz večine eksperimentalnih rezultatov je mogoče sklepati, da višja kot je temperatura žarjenja, višja je stopnja aktivacije (kot je prikazano na sliki 6).
Slika 6 Vpliv temperature žarjenja na hitrost električne aktivacije implantacije dušika ali fosforja v SiC (pri sobni temperaturi)
(Celotna implantacijska doza 1 × 1014 cm-2)
(Vir: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicijevega karbida: rast, karakterizacija, naprave in aplikacije)
Običajno uporabljen postopek aktivacijskega žarjenja po implantaciji ionov SiC se izvaja v atmosferi Ar pri 1600 ℃ ~ 1700 ℃ za rekristalizacijo površine SiC in aktiviranje dopanta, s čimer se izboljša prevodnost dopiranega območja; pred žarjenjem se lahko na površino rezine nanese plast ogljikovega filma za površinsko zaščito, da se zmanjša degradacija površine, ki jo povzročita desorpcija Si in površinska atomska migracija, kot je prikazano na sliki 7; po žarjenju lahko ogljikov film odstranimo z oksidacijo ali korozijo.
Slika 7 Primerjava površinske hrapavosti rezin 4H-SiC z ali brez zaščite ogljikovega filma pri temperaturi žarjenja 1800 ℃
(Vir: Kimoto, Cooper, Osnove tehnologije silicijevega karbida: rast, karakterizacija, naprave in aplikacije)
IV
Vpliv implantacije ionov SiC in procesa aktivacijskega žarjenja
Ionska implantacija in naknadno aktivacijsko žarjenje neizogibno povzročita napake, ki zmanjšajo zmogljivost naprave: kompleksne točkovne napake, napake zlaganja (kot je prikazano na sliki 8), nove dislokacije, plitve ali globoke napake na ravni energije, dislokacijske zanke bazalne ravnine in premikanje obstoječih dislokacij. Ker bo proces obstreljevanja z visokoenergijskimi ioni povzročil obremenitev rezine SiC, bo postopek implantacije z visoko temperaturo in visokoenergijsko iono povečal zvitost rezine. Ti problemi so postali tudi smer, ki jo je nujno treba optimizirati in preučiti v proizvodnem procesu implantacije in žarjenja ionov SiC.
Slika 8 Shematski diagram primerjave med običajno razporeditvijo mreže 4H-SiC in različnimi napakami zlaganja
(Vir: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Izboljšanje postopka implantacije ionov silicijevega karbida
(1) Na površini območja ionske implantacije se ohrani tanek oksidni film, da se zmanjša stopnja implantacijske škode, ki jo povzroči visokoenergijska ionska implantacija na površino epitaksialne plasti silicijevega karbida, kot je prikazano na sliki 9. (a) .
(2) Izboljšajte kakovost ciljnega diska v opremi za ionsko implantacijo, tako da se rezina in ciljni disk tesneje prilegata, toplotna prevodnost ciljnega diska na rezino je boljša in oprema segreje zadnji del rezine. bolj enakomerno, izboljšanje kakovosti visokotemperaturne in visokoenergijske implantacije ionov na rezine iz silicijevega karbida, kot je prikazano na sliki 9. (b).
(3) Optimizirajte hitrost dviga temperature in enakomernost temperature med delovanjem opreme za visokotemperaturno žarjenje.
Slika 9 Metode za izboljšanje postopka ionske implantacije
Čas objave: 22. oktober 2024