Ionenimplantatie is een methode om een bepaalde hoeveelheid en soort onzuiverheden aan halfgeleidermaterialen toe te voegen om hun elektrische eigenschappen te veranderen. De hoeveelheid en verdeling van onzuiverheden kan nauwkeurig worden gecontroleerd.
Deel 1
Waarom het ionenimplantatieproces gebruiken?
Bij de vervaardiging van vermogenshalfgeleiderapparaten is de doping in de P/N-regio traditioneelsilicium wafelskan worden bereikt door diffusie. De diffusieconstante van onzuiverheidsatomen insiliciumcarbideis extreem laag, dus het is onrealistisch om selectieve doping te bereiken door middel van een diffusieproces, zoals weergegeven in figuur 1. Aan de andere kant zijn de temperatuuromstandigheden van ionenimplantatie lager dan die van het diffusieproces, en een flexibelere en nauwkeurigere dopingverdeling kan gevormd worden.
Figuur 1 Vergelijking van diffusie- en ionenimplantatiedopingtechnologieën in siliciumcarbidematerialen
Deel 2
Hoe te bereikensiliciumcarbideionen implantatie
De typische hoogenergetische ionenimplantatieapparatuur die wordt gebruikt in het productieproces van siliciumcarbide bestaat hoofdzakelijk uit een ionenbron, plasma, aspiratiecomponenten, analytische magneten, ionenbundels, versnellingsbuizen, proceskamers en scanschijven, zoals weergegeven in figuur 2.
Figuur 2 Schematisch diagram van apparatuur voor de implantatie van siliciumcarbide met hoge energie
(Bron: “Semiconductor Manufacturing Technology”)
SiC-ionenimplantatie wordt gewoonlijk uitgevoerd bij hoge temperaturen, waardoor de schade aan het kristalrooster, veroorzaakt door ionenbombardement, tot een minimum kan worden beperkt. Voor4H-SiC-wafels, wordt de productie van N-type gebieden gewoonlijk bereikt door het implanteren van stikstof- en fosforionen, en de productie vanP-typegebieden wordt meestal bereikt door het implanteren van aluminiumionen en boorionen.
Tabel 1. Voorbeeld van selectieve doping bij de productie van SiC-apparaten
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figuur 3 Vergelijking van meerstaps energie-ionenimplantatie en verdeling van de dopingconcentratie op het waferoppervlak
(Bron: G.Lulli, Inleiding tot ionenimplantatie)
Om een uniforme dopingconcentratie in het ionenimplantatiegebied te bereiken, gebruiken ingenieurs gewoonlijk meerstapsionenimplantatie om de algehele concentratieverdeling van het implantatiegebied aan te passen (zoals weergegeven in figuur 3); in het eigenlijke productieproces kunnen, door het aanpassen van de implantatie-energie en de implantatiedosis van de ionenimplantator, de doteringsconcentratie en de doteringsdiepte van het ionenimplantatiegebied worden geregeld, zoals weergegeven in figuur 4. (a) en (b); de ionenimplantator voert uniforme ionenimplantatie uit op het wafeloppervlak door het wafeloppervlak meerdere keren te scannen tijdens bedrijf, zoals weergegeven in figuur 4. (c).
(c) Bewegingstraject van de ionenimplantator tijdens ionenimplantatie
Figuur 4 Tijdens het ionenimplantatieproces worden de concentratie en diepte van de onzuiverheden gecontroleerd door de energie en dosis van de ionenimplantatie aan te passen
III
Activeringsgloeiproces voor implantatie van siliciumcarbide-ionen
De concentratie, het distributiegebied, de activeringssnelheid, defecten in het lichaam en op het oppervlak van de ionenimplantatie zijn de belangrijkste parameters van het ionenimplantatieproces. Er zijn veel factoren die de resultaten van deze parameters beïnvloeden, waaronder de implantatiedosis, de energie, de kristaloriëntatie van het materiaal, de implantatietemperatuur, de gloeitemperatuur, de gloeitijd, de omgeving, enz. In tegenstelling tot doping bij implantatie met siliciumionen is het nog steeds moeilijk om volledig te ioniseren. de onzuiverheden van siliciumcarbide na doping door ionenimplantatie. Als we de aluminiumacceptorionisatiesnelheid in het neutrale gebied van 4H-SiC als voorbeeld nemen, bij een doteringsconcentratie van 1 x 1017 cm-3, bedraagt de acceptorionisatiesnelheid slechts ongeveer 15% bij kamertemperatuur (gewoonlijk is de ionisatiesnelheid van silicium ongeveer 100%). Om het doel van een hoge activeringssnelheid en minder defecten te bereiken, zal na ionenimplantatie een uitgloeiproces op hoge temperatuur worden gebruikt om de amorfe defecten die tijdens de implantatie worden gegenereerd, te herkristalliseren, zodat de geïmplanteerde atomen de substitutieplaats binnendringen en worden geactiveerd, zoals weergegeven. in figuur 5. Momenteel is het begrip van mensen over het mechanisme van het gloeiproces nog steeds beperkt. Controle en diepgaand begrip van het gloeiproces is een van de onderzoeksfocussen van ionenimplantatie in de toekomst.
Figuur 5 Schematisch diagram van de atomaire rangschikkingsverandering op het oppervlak van het implantatiegebied van siliciumcarbide-ionen voor en na het uitgloeien van ionenimplantatie, waarbij Vsivertegenwoordigt siliciumvacatures, VCvertegenwoordigt koolstofvacatures, Civertegenwoordigt koolstofvullende atomen, en Siivertegenwoordigt siliciumvullende atomen
Ionenactivatie-gloeien omvat in het algemeen ovengloeien, snelgloeien en lasergloeien. Vanwege de sublimatie van Si-atomen in SiC-materialen bedraagt de gloeitemperatuur over het algemeen niet meer dan 1800 ℃; de gloeiatmosfeer wordt in het algemeen uitgevoerd in een inert gas of vacuüm. Verschillende ionen veroorzaken verschillende defectcentra in SiC en vereisen verschillende gloeitemperaturen. Uit de meeste experimentele resultaten kan worden geconcludeerd dat hoe hoger de gloeitemperatuur, hoe hoger de activeringssnelheid (zoals weergegeven in Figuur 6).
Figuur 6 Effect van de gloeitemperatuur op de elektrische activeringssnelheid van stikstof- of fosforimplantatie in SiC (bij kamertemperatuur)
(Totale implantatiedosis 1×1014cm-2)
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Het algemeen gebruikte activeringsproces na implantatie van SiC-ionen wordt uitgevoerd in een Ar-atmosfeer bij 1600 ℃ ~ 1700 ℃ om het SiC-oppervlak te herkristalliseren en het doteermiddel te activeren, waardoor de geleidbaarheid van het gedoteerde gebied wordt verbeterd; vóór het uitgloeien kan een laag koolstoffilm op het wafeloppervlak worden aangebracht ter bescherming van het oppervlak om degradatie van het oppervlak veroorzaakt door Si-desorptie en atomaire migratie aan het oppervlak te verminderen, zoals weergegeven in Figuur 7; na het uitgloeien kan de koolstoffilm worden verwijderd door oxidatie of corrosie.
Figuur 7 Vergelijking van de oppervlakteruwheid van 4H-SiC-wafels met of zonder koolstoffilmbescherming bij een gloeitemperatuur van 1800 ℃
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
De impact van SiC-ionenimplantatie en activatie-gloeiproces
Ionenimplantatie en daaropvolgende activeringsgloeien zullen onvermijdelijk defecten veroorzaken die de prestaties van het apparaat verminderen: complexe puntdefecten, stapelfouten (zoals weergegeven in figuur 8), nieuwe dislocaties, ondiepe of diepe energieniveaudefecten, dislocatielussen in het basale vlak en beweging van bestaande dislocaties. Omdat het proces van ionenbombardement met hoge energie spanning op de SiC-wafel zal veroorzaken, zal het proces van ionenimplantatie bij hoge temperatuur en hoge energie de kromtrekking van de wafel vergroten. Deze problemen zijn ook de richting geworden die dringend moet worden geoptimaliseerd en bestudeerd in het productieproces van SiC-ionenimplantatie en uitgloeien.
Figuur 8 Schematisch diagram van de vergelijking tussen normale 4H-SiC-roosteropstelling en verschillende stapelfouten
(Bron: Nicolὸ Piluso 4H-SiC-defecten)
V.
Verbetering van het implantatieproces van siliciumcarbide-ionen
(1) Op het oppervlak van het ionenimplantatiegebied wordt een dunne oxidefilm vastgehouden om de mate van implantatieschade veroorzaakt door hoogenergetische ionenimplantatie op het oppervlak van de epitaxiale laag van siliciumcarbide te verminderen, zoals weergegeven in figuur 9. (a) .
(2) Verbeter de kwaliteit van de doelschijf in de ionenimplantatieapparatuur, zodat de wafel en de doelschijf nauwer passen, de thermische geleidbaarheid van de doelschijf naar de wafel beter is en de apparatuur de achterkant van de wafel verwarmt uniformer, waardoor de kwaliteit van ionenimplantatie bij hoge temperatuur en hoge energie op siliciumcarbidewafels wordt verbeterd, zoals weergegeven in figuur 9. (b).
(3) Optimaliseer de temperatuurstijging en temperatuuruniformiteit tijdens de werking van de gloeiapparatuur op hoge temperatuur.
Figuur 9 Methoden voor het verbeteren van het ionenimplantatieproces
Posttijd: 22 oktober 2024