Jonu implantācija ir metode, kā pusvadītāju materiālos pievienot noteiktu daudzumu un veida piemaisījumus, lai mainītu to elektriskās īpašības. Piemaisījumu daudzumu un sadalījumu var precīzi kontrolēt.
1. daļa
Kāpēc izmantot jonu implantācijas procesu
Jaudas pusvadītāju ierīču ražošanā P/N reģiona dopings ir tradicionālssilīcija vafelesvar panākt ar difūziju. Tomēr piemaisījumu atomu difūzijas konstante iekšāsilīcija karbīdsir ārkārtīgi zems, tāpēc ir nereāli panākt selektīvu dopingu ar difūzijas procesu, kā parādīts 1. attēlā. No otras puses, jonu implantācijas temperatūras apstākļi ir zemāki nekā difūzijas procesa temperatūras apstākļi, un ir iespējams elastīgāks un precīzāks dopinga sadalījums. veidojas.
1. attēls. Difūzijas un jonu implantācijas dopinga tehnoloģiju salīdzinājums silīcija karbīda materiālos
2. daļa
Kā panāktsilīcija karbīdsjonu implantācija
Tipisks augstas enerģijas jonu implantācijas aprīkojums, ko izmanto silīcija karbīda procesa ražošanas procesā, galvenokārt sastāv no jonu avota, plazmas, aspirācijas komponentiem, analītiskajiem magnētiem, jonu stariem, paātrinājuma caurulēm, procesa kamerām un skenēšanas diskiem, kā parādīts 2.
2. attēls Silīcija karbīda augstas enerģijas jonu implantācijas iekārtas shematiskā diagramma
(Avots: “Pusvadītāju ražošanas tehnoloģija”)
SiC jonu implantācija parasti tiek veikta augstā temperatūrā, kas var samazināt kristāliskā režģa bojājumus, ko izraisa jonu bombardēšana. Par4H-SiC vafeles, N tipa laukumu ražošana parasti tiek panākta, implantējot slāpekļa un fosfora jonus, un ražojotP veidaparasti tiek panākts, implantējot alumīnija jonus un bora jonus.
1. tabula. Selektīvas dopinga piemērs SiC ierīču ražošanā
(Avots: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technology pamati: izaugsme, raksturojums, ierīces un lietojumprogrammas)
3. attēls. Daudzpakāpju enerģijas jonu implantācijas un vafeļu virsmas dopinga koncentrācijas sadalījuma salīdzinājums
(Avots: G.Lulli, Ievads jonu implantācijā)
Lai panāktu vienmērīgu dopinga koncentrāciju jonu implantācijas zonā, inženieri parasti izmanto daudzpakāpju jonu implantāciju, lai pielāgotu kopējo koncentrācijas sadalījumu implantācijas zonā (kā parādīts 3. attēlā); faktiskajā ražošanas procesā, pielāgojot jonu implantētāja implantācijas enerģiju un implantācijas devu, var kontrolēt jonu implantācijas zonas dopinga koncentrāciju un dopinga dziļumu, kā parādīts 4. (a) un (b) attēlā; jonu implantētājs veic vienmērīgu jonu implantāciju uz vafeles virsmas, darbības laikā vairākas reizes skenējot vafeles virsmu, kā parādīts 4. (c) attēlā.
c) jonu implantatora kustības trajektorija jonu implantācijas laikā
4. attēls Jonu implantācijas procesa laikā piemaisījumu koncentrācija un dziļums tiek kontrolēts, pielāgojot jonu implantācijas enerģiju un devu
III
Aktivizācijas atkausēšanas process silīcija karbīda jonu implantācijai
Koncentrācija, izkliedes laukums, aktivācijas ātrums, defekti ķermenī un jonu implantācijas virsmā ir galvenie jonu implantācijas procesa parametri. Ir daudzi faktori, kas ietekmē šo parametru rezultātus, tostarp implantācijas deva, enerģija, materiāla kristāla orientācija, implantācijas temperatūra, atkausēšanas temperatūra, atkausēšanas laiks, vide utt. Atšķirībā no silīcija jonu implantācijas dopinga, to joprojām ir grūti pilnībā jonizēt. silīcija karbīda piemaisījumi pēc jonu implantācijas dopinga. Ņemot par piemēru alumīnija akceptora jonizācijas ātrumu neitrālajā 4H-SiC reģionā, pie dopinga koncentrācijas 1 × 1017 cm-3, akceptora jonizācijas ātrums istabas temperatūrā ir tikai aptuveni 15% (parasti silīcija jonizācijas ātrums ir aptuveni 100%). Lai sasniegtu mērķi par augstu aktivācijas ātrumu un mazāku defektu skaitu, pēc jonu implantācijas tiks izmantots augstas temperatūras atlaidināšanas process, lai pārkristalizētu implantācijas laikā radušos amorfos defektus, lai implantētie atomi nonāktu aizvietošanas vietā un tiktu aktivizēti, kā parādīts attēlā. 5. attēlā. Pašlaik cilvēku izpratne par atkausēšanas procesa mehānismu joprojām ir ierobežota. Atlaidināšanas procesa kontrole un padziļināta izpratne ir viens no jonu implantācijas pētniecības fokusiem nākotnē.
5. attēls Atomu izkārtojuma izmaiņu shematiskā diagramma uz silīcija karbīda jonu implantācijas zonas virsmas pirms un pēc jonu implantācijas atkausēšanas, kur Vsipārstāv silīcija vakances, VCapzīmē oglekļa vakances, Ciapzīmē oglekļa pildīšanas atomus un Siiapzīmē silīcija pildījumu atomus
Jonu aktivācijas rūdīšana parasti ietver rūdīšanu krāsnī, ātro atlaidināšanu un lāzera atkausēšanu. Sakarā ar Si atomu sublimāciju SiC materiālos, atkausēšanas temperatūra parasti nepārsniedz 1800 ℃; atkausēšanas atmosfēru parasti veic inertā gāzē vai vakuumā. Dažādi joni rada dažādus defektu centrus SiC, un tiem nepieciešama atšķirīga atkausēšanas temperatūra. No lielākās daļas eksperimentu rezultātu var secināt, ka jo augstāka ir atkausēšanas temperatūra, jo augstāks ir aktivizācijas ātrums (kā parādīts 6. attēlā).
6. attēls. Atlaidināšanas temperatūras ietekme uz slāpekļa vai fosfora implantācijas elektriskās aktivācijas ātrumu SiC (istabas temperatūrā)
(Kopējā implantācijas deva 1×1014cm-2)
(Avots: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technology pamati: izaugsme, raksturojums, ierīces un lietojumprogrammas)
Parasti izmantotais aktivācijas atkausēšanas process pēc SiC jonu implantācijas tiek veikts Ar atmosfērā 1600 ℃ ~ 1700 ℃, lai pārkristalizētu SiC virsmu un aktivizētu piedevu, tādējādi uzlabojot leģētās zonas vadītspēju; pirms atkausēšanas uz vafeļu virsmas var pārklāt oglekļa plēves slāni virsmas aizsardzībai, lai samazinātu virsmas degradāciju, ko izraisa Si desorbcija un virsmas atomu migrācija, kā parādīts 7. attēlā; pēc atkausēšanas oglekļa plēvi var noņemt ar oksidēšanu vai koroziju.
7. attēls 4H-SiC plātņu virsmas raupjuma salīdzinājums ar vai bez oglekļa plēves aizsardzības zem 1800 ℃ atlaidināšanas temperatūras
(Avots: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technology pamati: izaugsme, raksturojums, ierīces un lietojumprogrammas)
IV
SiC jonu implantācijas un aktivācijas atkausēšanas procesa ietekme
Jonu implantācija un sekojoša aktivācijas atkvēlināšana neizbēgami radīs defektus, kas samazina ierīces veiktspēju: sarežģīti punktu defekti, sakraušanas defekti (kā parādīts 8. attēlā), jaunas dislokācijas, sekla vai dziļa enerģijas līmeņa defekti, bazālās plaknes dislokācijas cilpas un esošo dislokāciju pārvietošanās. Tā kā augstas enerģijas jonu bombardēšanas process radīs stresu SiC plāksnītei, augstas temperatūras un augstas enerģijas jonu implantācijas process palielinās plāksnīšu deformāciju. Šīs problēmas ir kļuvušas arī par virzienu, kas steidzami jāoptimizē un jāizpēta SiC jonu implantācijas un atkausēšanas ražošanas procesā.
8. attēls Shematiska diagramma salīdzinājumam starp parasto 4H-SiC režģa izvietojumu un dažādiem sakraušanas defektiem
(Avots: Nicolὸ Piluso 4H-SiC defekti)
V.
Silīcija karbīda jonu implantācijas procesa pilnveidošana
(1) Uz jonu implantācijas zonas virsmas tiek saglabāta plāna oksīda plēve, lai samazinātu implantācijas bojājumu pakāpi, ko izraisa augstas enerģijas jonu implantācija uz silīcija karbīda epitaksiskā slāņa virsmas, kā parādīts 9. attēlā. (a). .
(2) Uzlabojiet mērķa diska kvalitāti jonu implantācijas iekārtā, lai vafele un mērķa disks ciešāk piegultu, mērķa diska siltumvadītspēja pret vafeli būtu labāka un iekārta sasilda vafeles aizmuguri. viendabīgāk, uzlabojot augstas temperatūras un augstas enerģijas jonu implantācijas kvalitāti uz silīcija karbīda plāksnēm, kā parādīts 9. (b) attēlā.
(3) Optimizējiet temperatūras paaugstināšanās ātrumu un temperatūras vienmērīgumu augstas temperatūras atlaidināšanas iekārtas darbības laikā.
9. attēls Jonu implantācijas procesa uzlabošanas metodes
Publicēšanas laiks: 22. oktobris 2024