Implantacja jonowa to metoda dodawania określonej ilości i rodzaju zanieczyszczeń do materiałów półprzewodnikowych w celu zmiany ich właściwości elektrycznych. Można precyzyjnie kontrolować ilość i rozkład zanieczyszczeń.
Część 1
Dlaczego warto stosować proces implantacji jonów
W produkcji urządzeń półprzewodnikowych mocy, region P/N domieszkuje tradycyjnewafle krzemowemożna osiągnąć poprzez dyfuzję. Jednakże stała dyfuzji atomów zanieczyszczeń wwęglik krzemujest niezwykle niska, dlatego osiągnięcie selektywnego domieszkowania w procesie dyfuzji, jak pokazano na rysunku 1, jest nierealne. Z drugiej strony warunki temperaturowe implantacji jonów są niższe niż w procesie dyfuzji, a bardziej elastyczny i dokładny rozkład domieszkowania może formować się.
Rysunek 1 Porównanie technologii domieszkowania dyfuzyjnego i implantacji jonów w materiałach z węglika krzemu
Część 2
Jak osiągnąćwęglik krzemuimplantacja jonów
Typowy wysokoenergetyczny sprzęt do implantacji jonów stosowany w procesie wytwarzania węglika krzemu składa się głównie ze źródła jonów, plazmy, elementów aspiracyjnych, magnesów analitycznych, wiązek jonów, rur akceleracyjnych, komór procesowych i dysków skanujących, jak pokazano na rysunku 2.
Rysunek 2 Schemat ideowy sprzętu do implantacji wysokoenergetycznych jonów z węglika krzemu
(Źródło: „Technologia produkcji półprzewodników”)
Implantację jonów SiC przeprowadza się zwykle w wysokiej temperaturze, co może zminimalizować uszkodzenia sieci krystalicznej spowodowane bombardowaniem jonami. DlaPłytki 4H-SiCwytwarzanie obszarów typu N zwykle osiąga się poprzez wszczepianie jonów azotu i fosforu, a wytwarzanieTyp Pobszarach zwykle osiąga się poprzez wszczepienie jonów glinu i boru.
Tabela 1. Przykład selektywnego domieszkowania w produkcji urządzeń SiC
(Źródło: Kimoto, Cooper, Podstawy technologii węglika krzemu: wzrost, charakterystyka, urządzenia i zastosowania)
Rysunek 3 Porównanie wieloetapowej implantacji jonów energetycznych i rozkładu stężenia domieszkowania powierzchni płytki
(Źródło: G.Lulli, Wprowadzenie do implantacji jonów)
Aby uzyskać jednolite stężenie domieszki w obszarze implantacji jonów, inżynierowie zwykle stosują wieloetapową implantację jonów w celu dostosowania ogólnego rozkładu stężeń w obszarze implantacji (jak pokazano na rysunku 3); w rzeczywistym procesie produkcyjnym, dostosowując energię implantacji i dawkę implantacji implantatora jonów, można kontrolować stężenie domieszkowania i głębokość domieszkowania obszaru implantacji jonów, jak pokazano na rysunku 4. (a) i (b); implanter jonów wykonuje równomierną implantację jonów na powierzchni płytki poprzez wielokrotne skanowanie powierzchni płytki podczas pracy, jak pokazano na rysunku 4. (c).
(c) Trajektoria ruchu implantera jonów podczas implantacji jonów
Rycina 4 Podczas procesu implantacji jonów stężenie i głębokość zanieczyszczeń są kontrolowane poprzez dostosowanie energii i dawki implantacji jonów
III
Proces wyżarzania aktywacyjnego do implantacji jonów węglika krzemu
Stężenie, powierzchnia dystrybucji, szybkość aktywacji, defekty w organizmie i na powierzchni implantacji jonów to główne parametry procesu implantacji jonów. Istnieje wiele czynników wpływających na wyniki tych parametrów, w tym dawka implantacji, energia, orientacja kryształów materiału, temperatura implantacji, temperatura wyżarzania, czas wyżarzania, środowisko itp. W przeciwieństwie do domieszkowania implantacyjnego jonami krzemu, nadal trudno jest całkowicie zjonizować domieszki węglika krzemu po domieszkowaniu implantacją jonów. Biorąc za przykład szybkość jonizacji akceptora glinu w obszarze neutralnym 4H-SiC, przy stężeniu domieszkowania 1×1017cm-3, szybkość jonizacji akceptora wynosi tylko około 15% w temperaturze pokojowej (zwykle szybkość jonizacji krzemu wynosi około 100%). Aby osiągnąć cel, jakim jest wysoki współczynnik aktywacji i mniej defektów, po implantacji jonów zostanie zastosowany proces wyżarzania w wysokiej temperaturze w celu rekrystalizacji amorficznych defektów powstałych podczas implantacji, tak aby wszczepione atomy przedostały się do miejsca podstawienia i zostały aktywowane, jak pokazano na ryc. 5. Obecnie wiedza ludzi na temat mechanizmu procesu wyżarzania jest nadal ograniczona. Kontrola i dogłębne zrozumienie procesu wyżarzania to jeden z głównych celów badań nad implantacją jonów w przyszłości.
Rysunek 5 Schematyczny diagram zmiany układu atomów na powierzchni obszaru implantacji jonów węglika krzemu przed i po wyżarzaniu implantacyjnym jonów, gdzie Vsireprezentuje wolne miejsca w krzemie, VCreprezentuje wolne miejsca w węglach, Cioznacza atomy węgla wypełniającego, a Siioznacza atomy wypełniające krzem
Wyżarzanie aktywacyjne jonowo obejmuje ogólnie wyżarzanie piecowe, wyżarzanie szybkie i wyżarzanie laserowe. Ze względu na sublimację atomów Si w materiałach SiC temperatura wyżarzania na ogół nie przekracza 1800 ℃; atmosferę wyżarzania zazwyczaj prowadzi się w gazie obojętnym lub w próżni. Różne jony powodują różne centra defektów w SiC i wymagają różnych temperatur wyżarzania. Z większości wyników eksperymentów można wywnioskować, że im wyższa temperatura wyżarzania, tym większa szybkość aktywacji (jak pokazano na rysunku 6).
Rysunek 6 Wpływ temperatury wyżarzania na szybkość aktywacji elektrycznej implantacji azotu lub fosforu w SiC (w temperaturze pokojowej)
(Całkowita dawka implantacyjna 1×1014cm-2)
(Źródło: Kimoto, Cooper, Podstawy technologii węglika krzemu: wzrost, charakterystyka, urządzenia i zastosowania)
Powszechnie stosowany proces wyżarzania aktywacyjnego po implantacji jonów SiC przeprowadza się w atmosferze Ar w temperaturze 1600℃~1700℃ w celu rekrystalizacji powierzchni SiC i aktywacji domieszki, poprawiając w ten sposób przewodność domieszkowanego obszaru; przed wyżarzaniem na powierzchnię płytki można nałożyć warstwę folii węglowej w celu ochrony powierzchni i ograniczenia degradacji powierzchni spowodowanej desorpcją Si i migracją atomów na powierzchni, jak pokazano na rysunku 7; po wyżarzaniu warstwę węgla można usunąć poprzez utlenianie lub korozję.
Rysunek 7 Porównanie chropowatości powierzchni płytek 4H-SiC z lub bez zabezpieczenia filmem węglowym w temperaturze wyżarzania 1800℃
(Źródło: Kimoto, Cooper, Podstawy technologii węglika krzemu: wzrost, charakterystyka, urządzenia i zastosowania)
IV
Wpływ implantacji jonów SiC i procesu wyżarzania aktywacyjnego
Implantacja jonów i późniejsze wyżarzanie aktywacyjne nieuchronnie spowodują defekty, które zmniejszają wydajność urządzenia: złożone defekty punktowe, błędy ułożenia (jak pokazano na rysunku 8), nowe dyslokacje, defekty na płytkim lub głębokim poziomie energii, pętle dyslokacji w płaszczyźnie podstawowej i ruch istniejących dyslokacji. Ponieważ proces bombardowania jonami o wysokiej energii spowoduje naprężenia płytki SiC, proces implantacji jonów w wysokiej temperaturze i wysokiej energii zwiększy wypaczenie płytki. Problemy te stały się również kierunkiem, który należy pilnie zoptymalizować i zbadać w procesie produkcyjnym implantacji i wyżarzania jonów SiC.
Rysunek 8 Schematyczny diagram porównania normalnego układu sieci 4H-SiC i różnych błędów układania
(Źródło: Defekty 4H-SiC Nicolὸ Piluso)
V.
Udoskonalenie procesu implantacji jonów węglika krzemu
(1) Na powierzchni obszaru implantacji jonów utrzymywana jest cienka warstwa tlenku, aby zmniejszyć stopień uszkodzeń implantacji spowodowanych implantacją jonów o wysokiej energii do powierzchni warstwy epitaksjalnej węglika krzemu, jak pokazano na rysunku 9. (a) .
(2) Popraw jakość dysku docelowego w sprzęcie do implantacji jonów, tak aby wafel i dysk docelowy były lepiej dopasowane, przewodność cieplna dysku docelowego w stosunku do płytki była lepsza, a sprzęt nagrzewał tylną część płytki bardziej równomiernie, poprawiając jakość implantacji jonów w wysokiej temperaturze i wysokiej energii na płytkach z węglika krzemu, jak pokazano na rysunku 9. (b).
(3) Zoptymalizuj szybkość wzrostu temperatury i równomierność temperatury podczas pracy sprzętu do wyżarzania w wysokiej temperaturze.
Rycina 9 Metody usprawnienia procesu implantacji jonów
Czas publikacji: 22 października 2024 r