Implantarea ionică este o metodă de adăugare a unei anumite cantități și tip de impurități în materialele semiconductoare pentru a le modifica proprietățile electrice. Cantitatea și distribuția impurităților pot fi controlate cu precizie.
Partea 1
De ce să folosiți procesul de implantare ionică
În fabricarea dispozitivelor semiconductoare de putere, dopajul regiunii P/N tradiționaleplachete de siliciuse poate realiza prin difuzie. Cu toate acestea, constanta de difuzie a atomilor de impurități încarbură de siliciueste extrem de scăzută, deci este nerealist să se realizeze dopajul selectiv prin procesul de difuzie, așa cum se arată în Figura 1. Pe de altă parte, condițiile de temperatură ale implantării ionilor sunt mai scăzute decât cele ale procesului de difuzie, iar o distribuție mai flexibilă și mai precisă a dopajului poate fi format.
Figura 1 Comparația tehnologiilor de dopaj prin difuzie și implantare ionică în materiale cu carbură de siliciu
Partea 2
Cum se realizeazăcarbură de siliciuimplantare ionică
Echipamentul tipic de implantare ionică de înaltă energie utilizat în procesul de fabricație cu carbură de siliciu constă în principal dintr-o sursă de ioni, plasmă, componente de aspirație, magneți analitici, fascicule de ioni, tuburi de accelerație, camere de proces și discuri de scanare, așa cum se arată în Figura 2.
Figura 2 Schema schematică a echipamentului de implantare ionică de înaltă energie din carbură de siliciu
(Sursa: „Tehnologia de fabricație a semiconductorilor”)
Implantarea ionilor SiC este de obicei efectuată la temperatură ridicată, ceea ce poate minimiza deteriorarea rețelei cristaline cauzată de bombardarea ionică. PentruNapolitane 4H-SiC, producerea de zone de tip N se realizează de obicei prin implantarea de ioni de azot și fosfor și producerea dede tip Pzonele se realizează de obicei prin implantarea ionilor de aluminiu și de bor.
Tabelul 1. Exemplu de dopaj selectiv în fabricarea dispozitivelor SiC
(Sursa: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figura 3 Comparația dintre implantarea ionilor de energie în mai multe etape și distribuția concentrației de dopaj la suprafața plachetei
(Sursa: G.Lulli, Introducere în implantarea ionică)
Pentru a obține o concentrație uniformă de dopaj în zona de implantare ionică, inginerii folosesc de obicei implantarea ionică în mai multe etape pentru a ajusta distribuția globală a concentrației din zona de implantare (așa cum se arată în Figura 3); în procesul propriu-zis de fabricație, prin ajustarea energiei de implantare și a dozei de implantare a implantului de ioni, concentrația de dopaj și adâncimea de dopaj a zonei de implantare ionică pot fi controlate, așa cum se arată în Figura 4. (a) și (b); implantatorul de ioni realizează implantarea ionică uniformă pe suprafața plachetei prin scanarea suprafeței plachetei de mai multe ori în timpul funcționării, așa cum se arată în Figura 4. (c).
(c) Traiectoria de mișcare a implantului de ioni în timpul implantării ionice
Figura 4 În timpul procesului de implantare ionică, concentrația și adâncimea impurităților sunt controlate prin ajustarea energiei și a dozei de implantare a ionilor
III
Proces de recoacere de activare pentru implantarea ionilor de carbură de siliciu
Concentrația, aria de distribuție, rata de activare, defecte în organism și pe suprafața implantării ionice sunt principalii parametri ai procesului de implantare ionică. Există mulți factori care afectează rezultatele acestor parametri, inclusiv doza de implantare, energia, orientarea cristalului a materialului, temperatura de implantare, temperatura de recoacere, timpul de recoacere, mediul etc. Spre deosebire de dopajul prin implantare cu ioni de siliciu, este încă dificil să se ionizeze complet. impuritățile carburii de siliciu după dopajul prin implantare ionică. Luând ca exemplu rata de ionizare a acceptorului de aluminiu în regiunea neutră a 4H-SiC, la o concentrație de dopaj de 1 × 1017 cm-3, rata de ionizare a acceptorului este de numai aproximativ 15% la temperatura camerei (de obicei, rata de ionizare a siliciului este de aproximativ 100%). Pentru a atinge obiectivul de rată ridicată de activare și mai puține defecte, după implantarea ionilor se va utiliza un proces de recoacere la temperatură înaltă pentru a recristaliza defectele amorfe generate în timpul implantării, astfel încât atomii implantați să intre în locul de substituție și să fie activați, după cum se arată. în Figura 5. În prezent, înțelegerea de către oameni a mecanismului procesului de recoacere este încă limitată. Controlul și înțelegerea în profunzime a procesului de recoacere este unul dintre obiectivele de cercetare ale implantării ionice în viitor.
Figura 5 Diagrama schematică a modificării aranjamentului atomic pe suprafața zonei de implantare a ionilor de carbură de siliciu înainte și după recoacere cu implantare ionică, unde Vsireprezintă posturi vacante de siliciu, VCreprezintă locurile libere de carbon, Cireprezintă atomi de umplere de carbon și Siireprezintă atomi de umplere cu siliciu
Recoacere cu activare ionică include, în general, recoacere în cuptor, recoacere rapidă și recoacere cu laser. Datorită sublimării atomilor de Si din materialele SiC, temperatura de recoacere nu depășește, în general, 1800℃; atmosfera de recoacere se realizează în general într-un gaz inert sau vid. Ioni diferiți provoacă diferite centre de defect în SiC și necesită temperaturi de recoacere diferite. Din majoritatea rezultatelor experimentale, se poate concluziona că cu cât temperatura de recoacere este mai mare, cu atât este mai mare rata de activare (după cum se arată în Figura 6).
Figura 6 Efectul temperaturii de recoacere asupra ratei de activare electrică a implantării de azot sau fosfor în SiC (la temperatura camerei)
(Doza totală de implantare 1×1014cm-2)
(Sursa: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Procesul de recoacere de activare utilizat în mod obișnuit după implantarea ionilor de SiC este efectuat într-o atmosferă de Ar la 1600℃ ~ 1700℃ pentru a recristaliza suprafața SiC și a activa dopantul, îmbunătățind astfel conductivitatea zonei dopate; înainte de recoacere, un strat de film de carbon poate fi acoperit pe suprafața plachetei pentru protecția suprafeței pentru a reduce degradarea suprafeței cauzată de desorbția Si și de migrarea atomică de suprafață, așa cum se arată în Figura 7; după recoacere, pelicula de carbon poate fi îndepărtată prin oxidare sau coroziune.
Figura 7 Comparația rugozității suprafeței plachetelor 4H-SiC cu sau fără protecție cu peliculă de carbon sub temperatura de recoacere de 1800℃
(Sursa: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Impactul implantării ionilor SiC și al procesului de recoacere de activare
Implantarea ionică și recoacere de activare ulterioară vor produce inevitabil defecte care reduc performanța dispozitivului: defecte punctuale complexe, defecte de stivuire (așa cum se arată în Figura 8), noi dislocații, defecte de nivel energetic superficial sau profund, bucle de dislocare a planului bazal și mișcarea luxațiilor existente. Deoarece procesul de bombardare cu ioni de înaltă energie va cauza stres pentru placheta de SiC, procesul de implantare a ionilor de înaltă temperatură și energie va crește deformarea plachetei. Aceste probleme au devenit, de asemenea, direcția care trebuie urgent optimizată și studiată în procesul de fabricație al implantării și recoacerii ionilor SiC.
Figura 8 Diagrama schematică a comparației dintre aranjamentul normal al rețelei 4H-SiC și diferitele defecte de stivuire
(Sursa: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Îmbunătățirea procesului de implantare a ionilor de carbură de siliciu
(1) O peliculă subțire de oxid este reținută pe suprafața zonei de implantare ionică pentru a reduce gradul de deteriorare a implantării cauzat de implantarea ionilor de înaltă energie pe suprafața stratului epitaxial de carbură de siliciu, așa cum se arată în Figura 9. (a) .
(2) Îmbunătățiți calitatea discului țintă în echipamentul de implantare ionică, astfel încât napolitana și discul țintă să se potrivească mai bine, conductivitatea termică a discului țintă la plachetă este mai bună, iar echipamentul încălzește partea din spate a plachetei mai uniform, îmbunătățirea calității implantării ionilor de înaltă temperatură și energie înaltă pe placile cu carbură de siliciu, așa cum se arată în Figura 9. (b).
(3) Optimizați rata de creștere a temperaturii și uniformitatea temperaturii în timpul funcționării echipamentului de recoacere la temperatură înaltă.
Figura 9 Metode pentru îmbunătățirea procesului de implantare ionică
Ora postării: Oct-22-2024