Ioneimplantasjon er en metode for å tilsette en viss mengde og type urenheter i halvledermaterialer for å endre deres elektriske egenskaper. Mengden og fordelingen av urenheter kan kontrolleres nøyaktig.
Del 1
Hvorfor bruke ioneimplantasjonsprosess
I produksjon av kraft halvleder enheter, P/N-regionen doping av tradisjonellesilisiumskiverkan oppnås ved diffusjon. Imidlertid er diffusjonskonstanten for urenhetsatomer isilisiumkarbider ekstremt lav, så det er urealistisk å oppnå selektiv doping ved diffusjonsprosess, som vist i figur 1. På den annen side er temperaturforholdene ved ioneimplantasjon lavere enn for diffusjonsprosessen, og en mer fleksibel og nøyaktig dopingfordeling kan bli dannet.
Figur 1 Sammenligning av dopingteknologier for diffusjon og ioneimplantasjon i silisiumkarbidmaterialer
Del 2
Hvordan oppnåsilisiumkarbidionimplantasjon
Det typiske høyenergi-ioneimplantasjonsutstyret som brukes i silisiumkarbidprosessens produksjonsprosess består hovedsakelig av en ionekilde, plasma, aspirasjonskomponenter, analytiske magneter, ionestråler, akselerasjonsrør, prosesskamre og skanningsskiver, som vist i figur 2.
Figur 2 Skjematisk diagram av silisiumkarbid høyenergi-ionimplantasjonsutstyr
(Kilde: «Semiconductor Manufacturing Technology»)
SiC-ioneimplantasjon utføres vanligvis ved høy temperatur, noe som kan minimere skaden på krystallgitteret forårsaket av ionebombardement. Til4H-SiC-skiverproduksjon av N-type områder oppnås vanligvis ved å implantere nitrogen- og fosforioner, og produksjon avP-typeområder oppnås vanligvis ved å implantere aluminiumioner og borioner.
Tabell 1. Eksempel på selektiv doping i produksjon av SiC-enheter
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figur 3 Sammenligning av flertrinns energiionimplantasjon og waferoverflate-dopingkonsentrasjonsfordeling
(Kilde: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
For å oppnå jevn dopingkonsentrasjon i ioneimplantasjonsområdet bruker ingeniører vanligvis flertrinns ioneimplantasjon for å justere den totale konsentrasjonsfordelingen av implantasjonsområdet (som vist i figur 3); i selve prosessfremstillingsprosessen, ved å justere implantasjonsenergien og implantasjonsdosen til ioneimplantatoren, kan dopingkonsentrasjonen og dopingdybden til ioneimplantasjonsområdet kontrolleres, som vist i figur 4. (a) og (b); Ioneimplantatoren utfører jevn ioneimplantasjon på waferoverflaten ved å skanne waferoverflaten flere ganger under drift, som vist i figur 4. (c).
(c) Bevegelsesbane for ioneimplantatoren under ioneimplantasjon
Figur 4 Under ioneimplantasjonsprosessen kontrolleres urenhetskonsentrasjonen og dybden ved å justere ioneimplantasjonsenergien og dosen
III
Aktiveringsglødingsprosess for silisiumkarbidionimplantasjon
Konsentrasjonen, distribusjonsområdet, aktiveringshastigheten, defekter i kroppen og på overflaten av ioneimplantasjonen er hovedparametrene for ioneimplantasjonsprosessen. Det er mange faktorer som påvirker resultatene av disse parameterne, inkludert implantasjonsdose, energi, krystallorientering av materialet, implantasjonstemperatur, annealing temperatur, annealing tid, miljø osv. I motsetning til silisium ion implantasjonsdoping er det fortsatt vanskelig å fullstendig ionisere urenhetene av silisiumkarbid etter ioneimplantasjonsdoping. Ved å ta aluminiumakseptorens ioniseringshastighet i det nøytrale området av 4H-SiC som et eksempel, ved en dopingkonsentrasjon på 1×1017cm-3, er akseptorioniseringshastigheten bare omtrent 15 % ved romtemperatur (vanligvis er ioniseringshastigheten til silisium ca. 100 %). For å oppnå målet om høy aktiveringshastighet og færre defekter, vil en høytemperaturglødingsprosess bli brukt etter ioneimplantasjon for å rekrystallisere de amorfe defektene som genereres under implantasjonen, slik at de implanterte atomene kommer inn i substitusjonsstedet og aktiveres, som vist. i figur 5. For øyeblikket er folks forståelse av mekanismen til utglødningsprosessen fortsatt begrenset. Kontroll og dybdeforståelse av utglødningsprosessen er et av forskningsfokusene for ioneimplantasjon i fremtiden.
Figur 5 Skjematisk diagram av atomarrangementsendringen på overflaten av silisiumkarbidionimplantasjonsområdet før og etter ioneimplantasjonsglødning, hvor Vsirepresenterer ledige stillinger i silisium, VCrepresenterer karbon ledige stillinger, Cirepresenterer karbonfyllende atomer, og Siirepresenterer silisiumfyllende atomer
Ioneaktiveringsgløding inkluderer generelt ovngløding, rask gløding og lasergløding. På grunn av sublimering av Si-atomer i SiC-materialer, overstiger annealingstemperaturen vanligvis ikke 1800 ℃; glødeatmosfæren utføres vanligvis i en inert gass eller vakuum. Ulike ioner forårsaker forskjellige defektsentre i SiC og krever forskjellige utglødningstemperaturer. Fra de fleste eksperimentelle resultater kan det konkluderes med at jo høyere utglødningstemperatur, desto høyere er aktiveringshastigheten (som vist i figur 6).
Figur 6 Effekt av glødetemperatur på den elektriske aktiveringshastigheten for nitrogen- eller fosforimplantasjon i SiC (ved romtemperatur)
(Total implantasjonsdose 1×1014cm-2)
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Den ofte brukte aktiveringsglødingsprosessen etter SiC-ionimplantasjon utføres i en Ar-atmosfære ved 1600 ℃ ~ 1700 ℃ for å omkrystallisere SiC-overflaten og aktivere dopemidlet, og dermed forbedre ledningsevnen til det dopede området; før gløding kan et lag med karbonfilm belegges på waferoverflaten for overflatebeskyttelse for å redusere overflatedegradering forårsaket av Si-desorpsjon og overflate-atommigrering, som vist i figur 7; etter gløding kan karbonfilmen fjernes ved oksidasjon eller korrosjon.
Figur 7 Sammenligning av overflateruhet til 4H-SiC-skiver med eller uten karbonfilmbeskyttelse under 1800 ℃ glødetemperatur
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Virkningen av SiC-ionimplantasjon og aktiveringsglødingsprosess
Ioneimplantasjon og påfølgende aktiveringsgløding vil uunngåelig produsere defekter som reduserer enhetens ytelse: komplekse punktdefekter, stablingsfeil (som vist i figur 8), nye dislokasjoner, grunne eller dype energinivådefekter, basalplandislokasjonsløkker og bevegelse av eksisterende dislokasjoner. Siden høyenergi-ionebombardementsprosessen vil forårsake stress på SiC-skiven, vil høytemperatur- og høyenergi-ionimplantasjonsprosessen øke wafer-vridningen. Disse problemene har også blitt retningen som snarest må optimaliseres og studeres i produksjonsprosessen for SiC-ionimplantasjon og annealing.
Figur 8 Skjematisk diagram av sammenligningen mellom vanlig 4H-SiC gitterarrangement og forskjellige stablingsfeil
(Kilde: Nicolὸ Piluso 4H-SiC-defekter)
V.
Forbedring av implantasjonsprosessen for silisiumkarbidioner
(1) En tynn oksidfilm holdes tilbake på overflaten av ioneimplantasjonsområdet for å redusere graden av implantasjonsskade forårsaket av høyenergi-ionimplantasjon til overflaten av det epitaksiale silisiumkarbidlaget, som vist i figur 9. (a) .
(2) Forbedre kvaliteten på målskiven i ioneimplantasjonsutstyret, slik at waferen og målskiven passer tettere, den termiske ledningsevnen til målskiven til waferen er bedre, og utstyret varmer opp baksiden av waferen. mer jevnt, forbedre kvaliteten på høytemperatur- og høyenergi-ionimplantasjon på silisiumkarbidskiver, som vist i figur 9. (b).
(3) Optimaliser temperaturstigningshastigheten og temperaturensartetheten under driften av høytemperaturglødingsutstyret.
Figur 9 Metoder for å forbedre ioneimplantasjonsprosessen
Innleggstid: 22. oktober 2024