Іонна імплантація — це метод додавання певної кількості та типу домішок у напівпровідникові матеріали для зміни їхніх електричних властивостей. Кількість і розподіл домішок можна точно контролювати.
Частина 1
Навіщо використовувати процес іонної імплантації
При виготовленні силових напівпровідникових приладів область P/N традиційнакремнієві пластиниможна досягти шляхом дифузії. Однак константа дифузії домішкових атомів вкарбід кремніюнадзвичайно низька, тому нереально досягти селективного легування за допомогою процесу дифузії, як показано на малюнку 1. З іншого боку, температурні умови іонної імплантації нижчі, ніж умови процесу дифузії, і більш гнучкий і точний розподіл легування може бути сформованим.
Малюнок 1. Порівняння технологій легування дифузією та іонною імплантацією в матеріали з карбіду кремнію
Частина 2
Як досягтикарбід кремніюіонна імплантація
Типове обладнання для високоенергетичної іонної імплантації, що використовується в процесі виробництва карбіду кремнію, в основному складається з джерела іонів, плазми, аспіраційних компонентів, аналітичних магнітів, іонних пучків, прискорювальних трубок, технологічних камер і скануючих дисків, як показано на малюнку 2.
Рисунок 2. Принципова діаграма обладнання для імплантації високоенергетичних іонів карбіду кремнію
(Джерело: «Технологія виробництва напівпровідників»)
Імплантація іонів SiC зазвичай здійснюється при високій температурі, що може мінімізувати пошкодження кристалічної решітки, викликане іонним бомбардуванням. дляПластини 4H-SiC, виробництво ділянок N-типу зазвичай досягається шляхом імплантації іонів азоту та фосфору, а виробництвоП-типплощ зазвичай досягається шляхом імплантації іонів алюмінію та іонів бору.
Таблиця 1. Приклад селективного легування при виготовленні пристроїв із SiC
(Джерело: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Малюнок 3. Порівняння розподілу концентрації легування на поверхні пластини з багатоетапною енергетичною іонною імплантацією
(Джерело: G.Lulli, Вступ до іонної імплантації)
Щоб досягти рівномірної концентрації легування в зоні іонної імплантації, інженери зазвичай використовують багатоетапну іонну імплантацію для регулювання загального розподілу концентрації в області імплантації (як показано на малюнку 3); у фактичному виробничому процесі шляхом регулювання енергії імплантації та дози імплантації іонного імплантера можна контролювати концентрацію легування та глибину легування області іонної імплантації, як показано на рисунку 4. (a) і (b); пристрій для іонної імплантації виконує рівномірну іонну імплантацію на поверхні пластини шляхом багаторазового сканування поверхні пластини під час роботи, як показано на малюнку 4. (c).
(c) Траєкторія руху іонного імплантера під час іонної імплантації
Рисунок 4 Під час процесу іонної імплантації концентрація домішок і глибина контролюються шляхом регулювання енергії і дози іонної імплантації
III
Процес активаційного відпалу для імплантації іонів карбіду кремнію
Основними параметрами процесу іонної імплантації є концентрація, площа розподілу, швидкість активації, дефекти в тілі та на поверхні іонної імплантації. Є багато факторів, які впливають на результати цих параметрів, включаючи дозу імплантації, енергію, кристалічну орієнтацію матеріалу, температуру імплантації, температуру відпалу, час відпалу, навколишнє середовище тощо. На відміну від легування імплантацією іонів кремнію, все ще важко повністю іонізувати домішки карбіду кремнію після легування іонною імплантацією. Беручи швидкість іонізації акцептора алюмінію в нейтральній області 4H-SiC як приклад, при концентрації легування 1 × 1017 см-3, швидкість іонізації акцептора становить лише близько 15% при кімнатній температурі (зазвичай швидкість іонізації кремнію становить приблизно 100%). Щоб досягти мети високої швидкості активації та меншої кількості дефектів, після іонної імплантації буде використано процес високотемпературного відпалу для перекристалізації аморфних дефектів, утворених під час імплантації, так що імплантовані атоми потрапляють у сайт заміщення та активуються, як показано на малюнку 5. На даний момент розуміння механізму процесу відпалу все ще обмежене. Контроль і поглиблене розуміння процесу відпалу є одним із напрямків досліджень іонної імплантації в майбутньому.
Рисунок 5. Схематична діаграма зміни розташування атомів на поверхні зони імплантації іонів карбіду кремнію до та після відпалу іонної імплантації, де Vsiявляє собою вакансії кремнію, VCпредставляє вуглецеві вакансії, Ciявляє собою атоми заповнення вуглецю, а Siiявляє собою атоми кремнію, що заповнюють
Іонно-активаційний відпал зазвичай включає в себе відпал у печі, швидкий відпал і лазерний відпал. Завдяки сублімації атомів кремнію в матеріалах SiC температура відпалу зазвичай не перевищує 1800 ℃; атмосфера відпалу зазвичай здійснюється в інертному газі або вакуумі. Різні іони викликають різні дефектні центри в SiC і потребують різних температур відпалу. З більшості експериментальних результатів можна зробити висновок, що чим вища температура відпалу, тим вище швидкість активації (як показано на малюнку 6).
Рисунок 6 Вплив температури відпалу на швидкість електричної активації імплантації азоту або фосфору в SiC (за кімнатної температури)
(Загальна доза імплантації 1 × 1014 см-2)
(Джерело: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Зазвичай використовуваний процес активаційного відпалу після імплантації іонів SiC здійснюється в атмосфері Ar при 1600 ℃ ~ 1700 ℃ для рекристалізації поверхні SiC і активації допанту, тим самим покращуючи провідність легованої області; перед відпалом на поверхню пластини можна нанести шар вуглецевої плівки для захисту поверхні, щоб зменшити деградацію поверхні, спричинену десорбцією кремнію та поверхневою міграцією атомів, як показано на малюнку 7; після відпалу вуглецеву плівку можна видалити шляхом окислення або корозії.
Рисунок 7. Порівняння шорсткості поверхні пластин 4H-SiC із захистом вуглецевої плівки або без нього за температури відпалу 1800 ℃
(Джерело: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Вплив імплантації іонів SiC та процесу активаційного відпалу
Іонна імплантація та подальший активаційний відпал неминуче спричинять дефекти, які знижують продуктивність пристрою: складні точкові дефекти, дефекти упаковки (як показано на малюнку 8), нові дислокації, неглибокі або глибокі дефекти рівня енергії, дислокаційні петлі в базальній площині та рух існуючих дислокацій. Оскільки процес високоенергетичного іонного бомбардування спричинить навантаження на пластину SiC, процес високотемпературної та високоенергетичної іонної імплантації збільшить викривлення пластини. Ці проблеми також стали напрямком, який терміново потребує оптимізації та вивчення у виробничому процесі іонної імплантації та відпалу SiC.
Рисунок 8. Схематична діаграма порівняння між нормальним розташуванням решітки 4H-SiC і різними дефектами упаковки
(Джерело: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Удосконалення процесу імплантації іонів карбіду кремнію
(1) Тонка оксидна плівка зберігається на поверхні області іонної імплантації, щоб зменшити ступінь імплантаційного пошкодження, викликаного імплантацією іонів високої енергії на поверхню епітаксійного шару карбіду кремнію, як показано на малюнку 9. (a) .
(2) Поліпшити якість цільового диска в обладнанні для іонної імплантації, щоб пластина та цільовий диск підходили ближче, теплопровідність цільового диска до пластини була кращою, а обладнання нагрівало задню частину пластини. більш рівномірно, покращуючи якість високотемпературної та високоенергетичної імплантації іонів на пластинах карбіду кремнію, як показано на малюнку 9. (b).
(3) Оптимізуйте швидкість підвищення температури та рівномірність температури під час роботи обладнання для високотемпературного відпалу.
Рисунок 9 Методи вдосконалення процесу іонної імплантації
Час публікації: 22 жовтня 2024 р