La implantació iònica és un mètode per afegir una certa quantitat i tipus d'impureses als materials semiconductors per canviar-ne les propietats elèctriques. La quantitat i la distribució d'impureses es poden controlar amb precisió.
Part 1
Per què utilitzar el procés d'implantació iònica
En la fabricació de dispositius semiconductors de potència, la regió P/N de dopatge tradicionalplaques de silicies pot aconseguir per difusió. Tanmateix, la constant de difusió dels àtoms d'impuresa encarbur de siliciés extremadament baix, per la qual cosa no és realista aconseguir un dopatge selectiu per procés de difusió, tal com es mostra a la figura 1. D'altra banda, les condicions de temperatura de la implantació d'ions són inferiors a les del procés de difusió, i una distribució de dopatge més flexible i precisa pot estar format.
Figura 1 Comparació de tecnologies de dopatge de difusió i implantació iònica en materials de carbur de silici
Part 2
Com aconseguir-hocarbur de siliciimplantació iònica
L'equip típic d'implantació d'ions d'alta energia utilitzat en el procés de fabricació del procés de carbur de silici consisteix principalment en una font d'ions, plasma, components d'aspiració, imants analítics, feixos iònics, tubs d'acceleració, cambres de procés i discs d'escaneig, tal com es mostra a la figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemàtic d'equips d'implantació d'ions d'alta energia de carbur de silici
(Font: "Tecnologia de fabricació de semiconductors")
La implantació d'ions SiC es realitza normalment a alta temperatura, cosa que pot minimitzar el dany a la xarxa cristal·lina causada pel bombardeig iònic. PerHòsties 4H-SiC, la producció d'àrees de tipus N s'aconsegueix normalment mitjançant la implantació d'ions nitrogen i fòsfor, i la producció detipus Pàrees s'aconsegueix normalment mitjançant la implantació d'ions d'alumini i ions de bor.
Taula 1. Exemple de dopatge selectiu en la fabricació de dispositius de SiC
(Font: Kimoto, Cooper, Fonaments de la tecnologia del carbur de silici: creixement, caracterització, dispositius i aplicacions)
Figura 3 Comparació de la implantació d'ions d'energia en diversos passos i la distribució de la concentració de dopatge a la superfície de les hòsties
(Font: G.Lulli, Introducció a la implantació iònica)
Per tal d'aconseguir una concentració de dopatge uniforme a l'àrea d'implantació d'ions, els enginyers solen utilitzar la implantació d'ions en diversos passos per ajustar la distribució global de la concentració de l'àrea d'implantació (com es mostra a la figura 3); en el procés de fabricació del procés real, ajustant l'energia d'implantació i la dosi d'implantació de l'implantador d'ions, es pot controlar la concentració de dopatge i la profunditat de dopatge de l'àrea d'implantació d'ions, tal com es mostra a la figura 4. (a) i (b); l'implantador d'ions realitza una implantació d'ions uniforme a la superfície de l'hòstia escanejant la superfície de l'hòstia diverses vegades durant el funcionament, tal com es mostra a la figura 4. (c).
( c ) Trajectòria de moviment de l'implantador d'ions durant la implantació d'ions
Figura 4 Durant el procés d'implantació d'ions, la concentració i la profunditat d'impureses es controlen ajustant l'energia i la dosi d'implantació d'ions
III
Procés de recuit d'activació per a la implantació d'ions de carbur de silici
La concentració, l'àrea de distribució, la taxa d'activació, els defectes al cos i a la superfície de la implantació iònica són els principals paràmetres del procés d'implantació iònica. Hi ha molts factors que afecten els resultats d'aquests paràmetres, com ara la dosi d'implantació, l'energia, l'orientació del cristall del material, la temperatura d'implantació, la temperatura de recuit, el temps de recuit, l'entorn, etc. A diferència del dopatge d'implantació d'ions de silici, encara és difícil ionitzar-se completament les impureses del carbur de silici després del dopatge d'implantació iònica. Prenent com a exemple la taxa d'ionització de l'acceptor d'alumini a la regió neutra de 4H-SiC, a una concentració de dopatge d'1 × 1017 cm-3, la taxa d'ionització de l'acceptor és només d'un 15% a temperatura ambient (normalment la taxa d'ionització del silici és aproximadament). 100%). Per aconseguir l'objectiu d'una alta taxa d'activació i menys defectes, s'utilitzarà un procés de recuit a alta temperatura després de la implantació d'ions per recristal·litzar els defectes amorfs generats durant la implantació, de manera que els àtoms implantats entrin al lloc de substitució i s'activin, tal com es mostra. a la figura 5. Actualment, la comprensió de la gent del mecanisme del procés de recuit és encara limitada. El control i la comprensió en profunditat del procés de recuit és un dels focus de recerca de la implantació d'ions en el futur.
Figura 5 Diagrama esquemàtic del canvi de disposició atòmica a la superfície de l'àrea d'implantació d'ions de carbur de silici abans i després del recuit d'implantació d'ions, on Vsirepresenta vacants de silici, VCrepresenta vacants de carboni, Cirepresenta àtoms de farciment de carboni i Siirepresenta àtoms de farciment de silici
El recuit per activació iònica inclou generalment el recuit del forn, el recuit ràpid i el recuit làser. A causa de la sublimació dels àtoms de Si en materials de SiC, la temperatura de recuit generalment no supera els 1800 ℃; l'atmosfera de recuit es realitza generalment en un gas inert o buit. Els diferents ions causen diferents centres de defecte en SiC i requereixen temperatures de recuit diferents. A partir de la majoria dels resultats experimentals, es pot concloure que com més alta sigui la temperatura de recuit, més gran serà la taxa d'activació (com es mostra a la figura 6).
Figura 6 Efecte de la temperatura de recuit sobre la taxa d'activació elèctrica de la implantació de nitrogen o fòsfor en SiC (a temperatura ambient)
(Dosi total d'implantació 1×1014cm-2)
(Font: Kimoto, Cooper, Fonaments de la tecnologia del carbur de silici: creixement, caracterització, dispositius i aplicacions)
El procés de recuit d'activació que s'utilitza habitualment després de la implantació d'ions SiC es porta a terme en una atmosfera d'Ar a 1600 ℃ ~ 1700 ℃ per recristal·litzar la superfície de SiC i activar el dopant, millorant així la conductivitat de l'àrea dopada; abans del recuit, es pot recobrir una capa de pel·lícula de carboni a la superfície de l'hòstia per protegir la superfície per reduir la degradació superficial causada per la desorció de Si i la migració atòmica superficial, tal com es mostra a la figura 7; després del recuit, la pel·lícula de carboni es pot eliminar per oxidació o corrosió.
Figura 7 Comparació de la rugositat superficial de les hòsties de 4H-SiC amb o sense protecció de pel·lícula de carboni a una temperatura de recuit de 1800 ℃
(Font: Kimoto, Cooper, Fonaments de la tecnologia del carbur de silici: creixement, caracterització, dispositius i aplicacions)
IV
L'impacte de la implantació d'ions SiC i el procés de recuit d'activació
La implantació iònica i el recuit d'activació posterior produiran inevitablement defectes que redueixen el rendiment del dispositiu: defectes puntuals complexos, falles d'apilament (com es mostra a la figura 8), noves dislocacions, defectes de nivell d'energia poc profund o profund, bucles de dislocació del pla basal i moviment de dislocacions existents. Com que el procés de bombardeig d'ions d'alta energia causarà estrès a l'hòstia de SiC, el procés d'implantació d'ions d'alta temperatura i d'alta energia augmentarà la deformació de l'hòstia. Aquests problemes també s'han convertit en la direcció que cal optimitzar i estudiar amb urgència en el procés de fabricació d'implantació i recuit d'ions SiC.
Figura 8 Diagrama esquemàtic de la comparació entre la disposició normal de gelosia 4H-SiC i diferents falles d'apilament
(Font: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defectes)
V.
Millora del procés d'implantació d'ions de carbur de silici
(1) Es manté una fina pel·lícula d'òxid a la superfície de l'àrea d'implantació d'ions per reduir el grau de dany d'implantació causat per la implantació d'ions d'alta energia a la superfície de la capa epitaxial de carbur de silici, tal com es mostra a la figura 9. (a) .
(2) Millorar la qualitat del disc objectiu a l'equip d'implantació d'ions, de manera que l'hòstia i el disc objectiu s'ajustin més a prop, la conductivitat tèrmica del disc objectiu a l'hòstia és millor i l'equip escalfa la part posterior de l'hòstia. de manera més uniforme, millorant la qualitat de la implantació d'ions d'alta temperatura i d'alta energia a les hòsties de carbur de silici, tal com es mostra a la figura 9. (b).
(3) Optimitzar la taxa d'augment de la temperatura i la uniformitat de la temperatura durant el funcionament de l'equip de recuit d'alta temperatura.
Figura 9 Mètodes per millorar el procés d'implantació d'ions
Hora de publicació: 22-octubre-2024