A implantación iónica é un método de engadir unha certa cantidade e tipo de impurezas aos materiais semicondutores para cambiar as súas propiedades eléctricas. A cantidade e distribución de impurezas pódense controlar con precisión.
Parte 1
Por que usar o proceso de implantación iónica
Na fabricación de dispositivos semicondutores de potencia, a rexión P/N dopaxe tradicionalobleas de siliciopódese conseguir por difusión. Non obstante, a constante de difusión dos átomos de impureza encarburo de silicioé extremadamente baixo, polo que non é realista conseguir un dopaxe selectivo mediante un proceso de difusión, como se mostra na figura 1. Por outra banda, as condicións de temperatura da implantación de ións son máis baixas que as do proceso de difusión, e unha distribución de dopaxe máis flexible e precisa pode estar formado.
Figura 1 Comparación de tecnoloxías de dopaxe de difusión e implantación iónica en materiais de carburo de silicio
Parte 2
Como conseguircarburo de silicioimplantación iónica
O típico equipo de implantación de ións de alta enerxía usado no proceso de fabricación do proceso de carburo de silicio consiste principalmente nunha fonte de ións, plasma, compoñentes de aspiración, imáns analíticos, feixes iónicos, tubos de aceleración, cámaras de proceso e discos de exploración, como se mostra na Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático do equipamento de implantación de ións de alta enerxía de carburo de silicio
(Fonte: "Tecnoloxía de fabricación de semiconductores")
A implantación de ións SiC adoita realizarse a altas temperaturas, o que pode minimizar o dano á rede cristalina causado polo bombardeo iónico. ParaObleas 4H-SiC, a produción de áreas tipo N conséguese normalmente implantando ións de nitróxeno e fósforo, e a produción detipo Páreas adoita conseguirse mediante a implantación de ións de aluminio e ións de boro.
Táboa 1. Exemplo de dopaxe selectiva na fabricación de dispositivos SiC
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figura 3 Comparación da implantación de ións de enerxía en varias etapas e a distribución da concentración de dopaxe na superficie da oblea
(Fonte: G.Lulli, Introdución á implantación iónica)
Para conseguir unha concentración de dopaxe uniforme na zona de implantación iónica, os enxeñeiros adoitan empregar a implantación iónica en varios pasos para axustar a distribución global da concentración da zona de implantación (como se mostra na Figura 3); no proceso de fabricación do proceso real, axustando a enerxía de implantación e a dose de implantación do implantador de ións, pódese controlar a concentración de dopaxe e a profundidade de dopaxe da zona de implantación de ións, como se mostra na figura 4. (a) e (b); o implantador iónico realiza a implantación iónica uniforme na superficie da oblea escaneando a superficie da oblea varias veces durante a operación, como se mostra na Figura 4. (c).
(c) Traxectoria de movemento do implantador iónico durante a implantación iónica
Figura 4 Durante o proceso de implantación iónica, a concentración e profundidade de impurezas contrólanse axustando a enerxía e a dose de implantación iónica
III
Proceso de recocido de activación para a implantación de ións de carburo de silicio
A concentración, a área de distribución, a taxa de activación, os defectos no corpo e na superficie da implantación iónica son os principais parámetros do proceso de implantación iónica. Hai moitos factores que afectan os resultados destes parámetros, incluíndo a dose de implantación, a enerxía, a orientación do cristal do material, a temperatura de implantación, a temperatura de recocido, o tempo de recocido, o ambiente, etc. A diferenza do dopaxe de implantación de ións de silicio, aínda é difícil ionizar completamente. as impurezas do carburo de silicio despois do dopaxe de implantación iónica. Tomando como exemplo a taxa de ionización do aceptor de aluminio na rexión neutra de 4H-SiC, a unha concentración de dopaxe de 1 × 1017 cm-3, a taxa de ionización do aceptor é só dun 15% a temperatura ambiente (normalmente a taxa de ionización do silicio é de aproximadamente 100%). Co fin de acadar o obxectivo dunha alta taxa de activación e menos defectos, empregarase un proceso de recocido a alta temperatura despois da implantación iónica para recristalizar os defectos amorfos xerados durante a implantación, de xeito que os átomos implantados entren no sitio de substitución e se activen, como se mostra. na Figura 5. Na actualidade, a comprensión da xente do mecanismo do proceso de recocido aínda é limitada. O control e a comprensión en profundidade do proceso de recocido é un dos focos de investigación da implantación iónica no futuro.
Figura 5 Diagrama esquemático do cambio de disposición atómica na superficie da área de implantación de ións de carburo de silicio antes e despois do recocido de implantación de ións, onde Vsirepresenta vacantes de silicio, VCrepresenta vacantes de carbono, Cirepresenta átomos de recheo de carbono e Siirepresenta átomos de recheo de silicio
O recocido por activación iónica xeralmente inclúe o recocido en forno, o recocido rápido e o recocido con láser. Debido á sublimación dos átomos de Si en materiais de SiC, a temperatura de recocido xeralmente non supera os 1800 ℃; a atmosfera de recocido realízase xeralmente nun gas inerte ou baleiro. Diferentes ións causan diferentes centros de defecto en SiC e requiren diferentes temperaturas de recocido. Da maioría dos resultados experimentais, pódese concluír que canto maior sexa a temperatura de recocido, maior será a taxa de activación (como se mostra na Figura 6).
Figura 6 Efecto da temperatura de recocido na taxa de activación eléctrica da implantación de nitróxeno ou fósforo en SiC (a temperatura ambiente)
(Dose total de implantación 1×1014 cm-2)
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
O proceso de recocido de activación comúnmente usado despois da implantación de ións SiC realízase nunha atmosfera de Ar a 1600 ℃ ~ 1700 ℃ para recristalizar a superficie de SiC e activar o dopante, mellorando así a condutividade da área dopada; antes do recocido, pódese recubrir unha capa de película de carbono na superficie da oblea para protexer a superficie para reducir a degradación da superficie causada pola desorción de Si e a migración atómica da superficie, como se mostra na Figura 7; despois do recocido, a película de carbono pódese eliminar por oxidación ou corrosión.
Figura 7 Comparación da rugosidade superficial das obleas 4H-SiC con ou sen protección de película de carbono a unha temperatura de recocido de 1800 ℃
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
O impacto da implantación de ións SiC e o proceso de recocido de activación
A implantación iónica e o posterior recocido de activación producirán inevitablemente defectos que reducen o rendemento do dispositivo: defectos puntuais complexos, fallos de apilado (como se mostra na Figura 8), novas luxacións, defectos do nivel de enerxía superficial ou profundo, bucles de luxación do plano basal e movemento das luxacións existentes. Dado que o proceso de bombardeo iónico de alta enerxía causará estrés á oblea de SiC, o proceso de implantación de ións a alta temperatura e enerxía aumentará a deformación da oblea. Estes problemas tamén se converteron na dirección que necesita ser optimizada e estudada con urxencia no proceso de fabricación de implantación e recocido de ións SiC.
Figura 8 Diagrama esquemático da comparación entre a disposición normal de celosía 4H-SiC e as diferentes fallas de apilado
(Fonte: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Mellora do proceso de implantación de ións de carburo de silicio
(1) Reténse unha fina película de óxido na superficie da área de implantación iónica para reducir o grao de dano de implantación causado pola implantación de ións de alta enerxía na superficie da capa epitaxial de carburo de silicio, como se mostra na figura 9. (a) .
(2) Mellora a calidade do disco obxectivo no equipo de implantación iónica, de xeito que a oblea e o disco de destino se axustan máis, a condutividade térmica do disco obxectivo á oblea é mellor e o equipo quenta a parte traseira da oblea. de forma máis uniforme, mellorando a calidade da implantación de ións a alta temperatura e alta enerxía en obleas de carburo de silicio, como se mostra na figura 9. (b).
(3) Optimice a taxa de aumento da temperatura e a uniformidade da temperatura durante o funcionamento do equipo de recocido a alta temperatura.
Figura 9 Métodos para mellorar o proceso de implantación iónica
Hora de publicación: 22-Oct-2024