Az ionimplantáció egy olyan módszer, amellyel bizonyos mennyiségű és típusú szennyeződést adnak a félvezető anyagokhoz, hogy megváltoztassák azok elektromos tulajdonságait. A szennyeződések mennyisége és eloszlása pontosan szabályozható.
1. rész
Miért érdemes ionbeültetési eljárást használni?
A teljesítmény félvezető eszközök gyártásában a P/N régiós dopping a hagyományosszilícium ostyákdiffúzióval érhető el. Azonban a szennyező atomok diffúziós állandójaszilícium-karbidrendkívül alacsony, ezért nem reális a szelektív adalékolás diffúziós eljárással megvalósítani, ahogy az 1. ábra mutatja. Másrészt az ionbeültetés hőmérsékleti feltételei alacsonyabbak, mint a diffúziós folyamaté, és rugalmasabb és pontosabb adalékeloszlás érhető el. alakuljon ki.
1. ábra A diffúziós és ionimplantációs adalékolási technológiák összehasonlítása szilícium-karbid anyagokban
2. rész
Hogyan lehet elérniszilícium-karbidion beültetés
A szilícium-karbid gyártási folyamatban használt tipikus nagyenergiájú ionimplantációs berendezések főként ionforrásból, plazmából, aspirációs alkatrészekből, analitikai mágnesekből, ionsugarakból, gyorsítócsövekből, folyamatkamrákból és letapogató lemezekből állnak, amint az a 2. ábrán látható.
2. ábra Szilícium-karbid nagyenergiájú ionbeültető berendezés sematikus diagramja
(Forrás: „Semiconductor Manufacturing Technology”)
A SiC ion beültetés általában magas hőmérsékleten történik, ami minimálisra csökkentheti a kristályrács ionbombázás által okozott károsodását. Mert4H-SiC lapkák, az N-típusú területek előállítását általában nitrogén- és foszfor-ionok beültetésével, illetveP-típusúterületeket általában alumíniumionok és bórionok beültetésével érik el.
1. táblázat. Példa a szelektív adalékolásra a SiC készülékgyártásban
(Forrás: Kimoto, Cooper, A szilícium-karbid technológia alapjai: növekedés, jellemzés, eszközök és alkalmazások)
3. ábra A többlépcsős energiaion beültetés és az ostya felületi adalékolás koncentráció eloszlásának összehasonlítása
(Forrás: G.Lulli, Bevezetés az ionimplantációba)
Az ionimplantációs területen egyenletes doppingkoncentráció elérése érdekében a mérnökök általában többlépcsős ionimplantációt alkalmaznak az implantációs terület általános koncentrációeloszlásának beállítására (a 3. ábrán látható módon); a tényleges folyamatgyártási folyamatban az ionimplantátor beültetési energiájának és beültetési dózisának beállításával szabályozható az ionimplantációs terület adalékolási koncentrációja és adalékolási mélysége, amint az a 4. (a) és (b) ábrán látható; az ionimplanter egyenletes ionbeültetést végez az ostya felületén az ostya felületének többszöri letapogatásával működés közben, a 4. (c) ábrán látható módon.
(c) Az ionimplantátor mozgási pályája ionimplantáció során
4. ábra Az ionbeültetési folyamat során a szennyeződések koncentrációját és mélységét az ionimplantációs energia és dózis beállításával szabályozzuk
III
Aktivációs hőkezelési eljárás szilícium-karbid ion beültetéshez
Az ionimplantáció fő paraméterei a koncentráció, az eloszlási terület, az aktivációs sebesség, a testben és az ionfelületen fellépő hibák. Számos tényező befolyásolja ezeknek a paramétereknek az eredményét, beleértve az implantációs dózist, az energiát, az anyag kristály orientációját, az implantációs hőmérsékletet, a lágyítási hőmérsékletet, a lágyítási időt, a környezetet stb. A szilíciumionos beültetési doppinggal ellentétben még mindig nehéz teljesen ionizálni a szilícium-karbid szennyeződései ionimplantációs dopping után. Példaként figyelembe véve az alumínium akceptor ionizációs sebességét a 4H-SiC semleges tartományában, 1 × 1017 cm-3 adalékolási koncentrációnál az akceptor ionizációs sebessége szobahőmérsékleten csak körülbelül 15% (általában a szilícium ionizációs sebessége kb. 100%). A magas aktiválási sebesség és a kevesebb hiba elérése érdekében az ionimplantációt követően magas hőmérsékletű lágyítási eljárást alkalmaznak az implantáció során keletkező amorf hibák átkristályosítására, így a beültetett atomok bejutnak a szubsztitúciós helyre és aktiválódnak, ahogy az ábra mutatja. Az 5. ábrán látható. Jelenleg az emberek még csak korlátozottan ismerik a lágyítási folyamat mechanizmusát. A lágyítási folyamat ellenőrzése és mélyreható megértése a jövőben az ionimplantáció egyik kutatási fókusza.
5. ábra A szilícium-karbid ion beültetési terület felületén bekövetkező atomelrendezés változásának sematikus diagramja ionimplantációs hőkezelés előtt és után, ahol Vsiszilícium üresedéseket jelent, VCszén-dioxid üresedéseket jelent, Cijelentése széntöltő atomok, és Siiszilíciumot töltő atomokat jelent
Az ionaktivációs izzítás általában magában foglalja a kemencében végzett izzítást, a gyors lágyítást és a lézerrel történő lágyítást. A szilícium-karbid anyagokban lévő Si atomok szublimációja miatt az izzítási hőmérséklet általában nem haladja meg az 1800 ℃-ot; az izzítást általában inert gázban vagy vákuumban hajtják végre. A különböző ionok különböző hibacentrumokat okoznak a SiC-ben, és eltérő lágyítási hőmérsékletet igényelnek. A legtöbb kísérleti eredményből arra lehet következtetni, hogy minél magasabb az izzítási hőmérséklet, annál nagyobb az aktiválási sebesség (ahogyan a 6. ábrán látható).
6. ábra A lágyítási hőmérséklet hatása a nitrogén- vagy foszfor-beültetés elektromos aktivációs sebességére SiC-ben (szobahőmérsékleten)
(Teljes beültetési dózis 1×1014cm-2)
(Forrás: Kimoto, Cooper, A szilícium-karbid technológia alapjai: növekedés, jellemzés, eszközök és alkalmazások)
A SiC ion beültetése után általánosan használt aktiváló lágyítási eljárást Ar atmoszférában 1600 ℃ ~ 1700 ℃ hőmérsékleten hajtják végre a SiC felület átkristályosítása és az adalékanyag aktiválása érdekében, ezáltal javítva az adalékolt terület vezetőképességét; izzítás előtt az ostya felületére egy szénfilmréteget lehet bevonni a felület védelme érdekében, hogy csökkentsék a Si-deszorpció és a felületi atomi migráció által okozott felületi degradációt, amint az a 7. ábrán látható; izzítás után a szénfilm oxidációval vagy korrózióval eltávolítható.
7. ábra A 4H-SiC lapkák felületi érdességének összehasonlítása szénfilm-védelemmel vagy anélkül 1800 ℃ hőkezelési hőmérsékleten
(Forrás: Kimoto, Cooper, A szilícium-karbid technológia alapjai: növekedés, jellemzés, eszközök és alkalmazások)
IV
A SiC ion beültetés és az aktiváló lágyítási folyamat hatása
Az ionimplantáció és az azt követő aktiváló lágyítás elkerülhetetlenül olyan hibákat okoz, amelyek csökkentik az eszköz teljesítményét: összetett ponthibák, halmozási hibák (ahogy a 8. ábrán látható), új diszlokációk, sekély vagy mély energiaszint-hibák, alapsík diszlokációs hurkok és meglévő diszlokációk mozgása. Mivel a nagy energiájú ionos bombázási folyamat feszültséget okoz a SiC lapkában, a magas hőmérsékletű és nagy energiájú ionbeültetési folyamat növeli a lapka vetemedését. Ezek a problémák a SiC ion beültetés és lágyítás gyártási folyamatában is sürgősen optimalizálásra és tanulmányozásra szoruló irányokká váltak.
8. ábra A normál 4H-SiC rácselrendezés és a különböző halmozási hibák összehasonlításának sematikus diagramja
(Forrás: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
A szilícium-karbid ion beültetési folyamat javítása
(1) Az ionimplantációs terület felületén egy vékony oxidfilmet tartanak vissza, hogy csökkentsék a szilícium-karbid epitaxiális réteg felületére történő nagyenergiájú ionimplantáció által okozott beültetési károsodás mértékét, amint az a 9. ábrán látható. (a) .
(2) Javítsa a céllemez minőségét az ionimplantációs berendezésben, hogy az ostya és a céllemez jobban illeszkedjen, jobb legyen a céllemez hővezető képessége az ostyához, és a berendezés felmelegítse az ostya hátát egységesebben, javítva a magas hőmérsékletű és nagy energiájú ionimplantáció minőségét szilícium-karbid lapkákon, amint az a 9. (b) ábrán látható.
(3) Optimalizálja a hőmérséklet-emelkedés sebességét és a hőmérséklet egyenletességét a magas hőmérsékletű lágyító berendezés működése során.
9. ábra Módszerek az ionbeültetési folyamat javítására
Feladás időpontja: 2024.10.22