Ionimplantation er en metode til at tilføje en vis mængde og type urenheder i halvledermaterialer for at ændre deres elektriske egenskaber. Mængden og fordelingen af urenheder kan kontrolleres præcist.
Del 1
Hvorfor bruge ionimplantationsproces
I fremstillingen af magt halvleder enheder, P/N-regionen doping af traditionellesilicium waferskan opnås ved diffusion. Imidlertid er diffusionskonstanten for urenhedsatomer isiliciumcarbider ekstremt lav, så det er urealistisk at opnå selektiv doping ved diffusionsproces, som vist i figur 1. På den anden side er temperaturforholdene ved ionimplantation lavere end ved diffusionsprocessen, og en mere fleksibel og præcis dopingfordeling kan blive dannet.
Figur 1 Sammenligning af diffusions- og ionimplantationsdopingteknologier i siliciumcarbidmaterialer
Del 2
Hvordan man opnårsiliciumcarbidionimplantation
Det typiske højenergi-ionimplantationsudstyr, der bruges i siliciumcarbidprocesfremstillingsprocessen, består hovedsageligt af en ionkilde, plasma, aspirationskomponenter, analytiske magneter, ionstråler, accelerationsrør, proceskamre og scanningsskiver, som vist i figur 2.
Figur 2 Skematisk diagram af siliciumcarbid højenergi-ionimplantationsudstyr
(Kilde: "Semiconductor Manufacturing Technology")
SiC ionimplantation udføres normalt ved høj temperatur, hvilket kan minimere skaden på krystalgitteret forårsaget af ionbombardement. For4H-SiC wafere, opnås produktionen af N-type områder normalt ved implantering af nitrogen- og fosforioner, og produktion afP-typeområder opnås normalt ved at implantere aluminiumioner og borioner.
Tabel 1. Eksempel på selektiv doping i fremstilling af SiC-enheder
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figur 3 Sammenligning af flertrins energiionimplantation og waferoverfladedopingkoncentrationsfordeling
(Kilde: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
For at opnå ensartet dopingkoncentration i ionimplantationsområdet bruger ingeniører sædvanligvis flertrins ionimplantation til at justere den overordnede koncentrationsfordeling af implantationsområdet (som vist i figur 3); i selve procesfremstillingsprocessen, ved at justere implantationsenergien og implantationsdosis af ionimplantatoren, kan dopingkoncentrationen og dopingdybden af ionimplantationsområdet kontrolleres, som vist i figur 4. (a) og (b); ionimplantatoren udfører ensartet ionimplantation på waferoverfladen ved at scanne waferoverfladen flere gange under drift, som vist i figur 4. (c).
(c) Bevægelsesbane for ionimplantatoren under ionimplantation
Figur 4 Under ionimplantationsprocessen styres urenhedskoncentrationen og dybden ved at justere ionimplantationsenergien og dosis
III
Aktiveringsglødningsproces til siliciumcarbidionimplantation
Koncentrationen, fordelingsområdet, aktiveringshastigheden, defekter i kroppen og på overfladen af ionimplantationen er hovedparametrene for ionimplantationsprocessen. Der er mange faktorer, der påvirker resultaterne af disse parametre, herunder implantationsdosis, energi, krystalorientering af materialet, implantationstemperatur, annealing temperatur, annealing tid, miljø osv. I modsætning til silicium ion implantation doping er det stadig svært at ionisere fuldstændigt urenhederne af siliciumcarbid efter ionimplantationsdoping. Tager man aluminiumsacceptorioniseringshastigheden i det neutrale område af 4H-SiC som et eksempel, ved en dopingkoncentration på 1×1017cm-3, er acceptorioniseringshastigheden kun omkring 15% ved stuetemperatur (normalt er siliciums ioniseringshastighed ca. 100 %). For at nå målet om høj aktiveringshastighed og færre defekter, vil en højtemperatur-udglødningsproces blive brugt efter ionimplantation for at omkrystallisere de amorfe defekter, der dannes under implantationen, så de implanterede atomer kommer ind i substitutionsstedet og aktiveres, som vist. i figur 5. På nuværende tidspunkt er folks forståelse af mekanismen i annealingsprocessen stadig begrænset. Kontrol og dybdegående forståelse af annealingsprocessen er et af forskningsfokuserne for ionimplantation i fremtiden.
Figur 5 Skematisk diagram af atomarrangementsændringen på overfladen af siliciumcarbidionimplantationsområdet før og efter ionimplantationsudglødning, hvor Vsirepræsenterer ledige stillinger i silicium, VCrepræsenterer carbon ledige stillinger, Cirepræsenterer kulstoffyldende atomer og Siirepræsenterer siliciumfyldende atomer
Ionaktiveringsglødning omfatter generelt ovnglødning, hurtig udglødning og laserglødning. På grund af sublimeringen af Si-atomer i SiC-materialer overstiger annealingstemperaturen generelt ikke 1800 ℃; udglødningsatmosfæren udføres generelt i en inert gas eller vakuum. Forskellige ioner forårsager forskellige defektcentre i SiC og kræver forskellige udglødningstemperaturer. Ud fra de fleste eksperimentelle resultater kan det konkluderes, at jo højere udglødningstemperaturen er, desto højere er aktiveringshastigheden (som vist i figur 6).
Figur 6 Effekt af udglødningstemperatur på den elektriske aktiveringshastighed af nitrogen- eller fosforimplantation i SiC (ved stuetemperatur)
(Samlet implantationsdosis 1×1014cm-2)
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Den almindeligt anvendte aktiveringsglødningsproces efter SiC-ionimplantation udføres i en Ar-atmosfære ved 1600 ℃ ~ 1700 ℃ for at omkrystallisere SiC-overfladen og aktivere doteringsmidlet, hvorved ledningsevnen af det doterede område forbedres; før udglødning kan et lag af carbonfilm coates på waferoverfladen til overfladebeskyttelse for at reducere overfladenedbrydning forårsaget af Si-desorption og overfladeatommigration, som vist i figur 7; efter udglødning kan kulfilmen fjernes ved oxidation eller korrosion.
Figur 7 Sammenligning af overfladeruhed på 4H-SiC wafere med eller uden kulfilmbeskyttelse under 1800 ℃ udglødningstemperatur
(Kilde: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Virkningen af SiC-ionimplantation og aktiveringsglødningsproces
Ionimplantation og efterfølgende aktiveringsudglødning vil uundgåeligt producere defekter, der reducerer enhedens ydeevne: komplekse punktdefekter, stablingsfejl (som vist i figur 8), nye dislokationer, lavvandede eller dybe energiniveaudefekter, basalplan dislokationsløkker og bevægelse af eksisterende dislokationer. Da højenergiionbombardementprocessen vil forårsage stress på SiC-waferen, vil højtemperatur- og højenergiionimplantationsprocessen øge wafer-vridningen. Disse problemer er også blevet den retning, der presserende skal optimeres og studeres i fremstillingsprocessen for SiC-ionimplantation og udglødning.
Figur 8 Skematisk diagram af sammenligningen mellem normalt 4H-SiC gitterarrangement og forskellige stablingsfejl
(Kilde: Nicolὸ Piluso 4H-SiC-defekter)
V.
Forbedring af siliciumcarbidionimplantationsproces
(1) En tynd oxidfilm tilbageholdes på overfladen af ionimplantationsområdet for at reducere graden af implantationsskade forårsaget af højenergi-ionimplantation til overfladen af siliciumcarbid-epitaksiallaget, som vist i figur 9. (a) .
(2) Forbedre kvaliteten af målskiven i ionimplantationsudstyret, så waferen og målskiven passer tættere, målskivens termiske ledningsevne til waferen er bedre, og udstyret opvarmer bagsiden af waferen mere ensartet, forbedring af kvaliteten af højtemperatur- og højenergi-ionimplantation på siliciumcarbidwafers, som vist i figur 9. (b).
(3) Optimer temperaturstigningshastigheden og temperaturensartetheden under driften af højtemperaturudglødningsudstyret.
Figur 9 Metoder til forbedring af ionimplantationsprocessen
Indlægstid: 22. oktober 2024